Пассивно-активный способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть

 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных электрических сетей (0,4-35) кВ без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - снижение потребляемой мощности в генераторе на 160 Вт. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных электрических сетей (0,4-35 кВ) (сеть), без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - снижение потребляемой мощности в генераторе, который реализует заявленный способ.

Известно "Устройство для передачи сигналов по трехфазной линии электропередачи", которое реализует известный способ (патент SU 1107750 А, Н 04 В 3/54, 1982 г.). Недостатком известного устройства является отсутствие в цепи сигнального ключа (ключ) ограничивающего сопротивления, которое должно ограничивать ток через ключ, когда он замкнут, если его, по каким-то причинам, не выключили в заданный момент времени, при этом, устройство сгорит раньше, чем выйдут из строя предохранители.

Известен также пассивно-активный способ образования тока сигнала, принятый за прототип, который реализован в генераторе пассивно-активного типа (С. А.Цагарейшвили, К.И.Гутин. Теоретические основы построения каналообразующего устройства на тональных частотах по электрическим сетям 0,4-35 кВ. Наука и технологии в промышленности, Москва, 2 (5), 2001 г., стр. 55-56).

В известном генераторе установлен ограничивающий резистор, но остался недостаток - большое потребление мощности из сети.

Реализация предложенного способа значительно снижает потребляемую мощность из сети.

Пассивно-активный способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть 2 (сеть) - (фиг.1), в соответствии с которым на пассивном участке времени t, где , протекает ток при по низковольтной обмотке трансформатора 10/0,4 кВ (трансформатор) фазы А - по первой катушке индуктивности (катушка) - первому диоду - резистору - ключу - третьему диоду, при этом, в первой катушке накапливают электромагнитную энергию в параллельном колебательном контуре (контур), состоящем из первой катушки и первого конденсатора создают свободные колебания на частоте f_о , при этом параллельный контур настраивают в резонанс на частоту сигнала f_о, в последовательном контуре, состоящем из низковольтной обмотки трансформатора фазы В - второй катушки, которая индуктивно связана с первой катушкой - второго конденсатора - низковольтной обмотки трансформатора фазы С, при этом, в последовательном контуре образуют ток сигнала i_o(t), который представляет собой биения колебаний: Ток i_o(t) вводят в сеть по схеме фаза В - фаза С, при этом, последовательный контур настраивают в резонанс на частоту f_o

Ток i(t) замыкают через третий диод 5₃ на "земляную шину" (земля), при этом, на пассивном участке времени t - ключ замкнут, на активном участке времени t₂, где ключ разомкнут, где
период частоты сигнала f_o;
амплитудное значение промышленного напряжения частоты F;
2I_m - амплитудное значение тока i(t) при ;
R - сопротивление резистора;
L₁ - индуктивность первой катушки;
С₁ - емкость первого конденсатора;
2I_m - амплитудное значение тока биений i_o(t);
ω₁ = 2πf₁, ω₂ = 2πf₂; f₁=f_o-F; f₂=f_o+F;
F=50 Гц - частота промышленного напряжения;
L₂ - индуктивность второй катушки;
C₂ - емкость второго конденсатора.

Схема генератора с пассивно-активным способом ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть (генератор) приведена на фиг.1, где
1. Трансформатор.

2. Сеть.

3. Первая катушка.

4. Первый конденсатор.

5. Диодный мост 5₁, 5₂, 5₃, 5₄ соответственно его первый, второй, третий, четвертый диоды.

6. Резистор.

7. Ключ.

8. Вторая катушка.

9. Второй конденсатор.

Работает генератор следующим образом.

1. Рассмотрим работу генератора, выполненного по схеме, как в прототипе. Для этого исключают из схемы (фиг.1) элементы 4, 8, 9, катод третьего 5₃ и анод второго 5₂ диодов подключают не к "земле", а к фазе В. (Подключение показано пунктиром). Конденсатор прототипа 4₁ (фиг.1) (показан пунктиром) включен между фазами А-В. Принимаем, что потенциал фазы А выше потенциала фазы В. При значении t=0 конденсатор 4₁ заряжен, как это показано на фиг.1. В промежутке времени через ключ протекают два тока:
1. Ток заряда i(t) электромагнитной энергией первой катушки.

2. Ток разряда конденсатора 4₁ на резистор 6. (Значениями сопротивлений диодов и ключа пренебрегают, в связи с их малостью по сравнению с величиной сопротивления резистора - 6). Ток разряда протекает по цепи: "плюс" конденсатора 4₁ - первый диод 5₁ - резистор 6 - ключ 7 - третий диод 5₃ - "минус" конденсатора 4₁. Действующее значение напряжения, приложенного к конденсатору 4₁, равно U= 380 В. Энергия, накопленная конденсатором 4₁ за один период То, равна:

где W_c - энергия электрического поля, накопленная конденсатором 4₁ за период T_о;
с - емкость конденсатора 4₁.

При протекании тока разряда конденсатора 4₁ напряжение U_c(t) убывает по экспоненте:

где U_m=536 В - амплитудное значение;
t - время разряда конденсатора;
l - основание натурального логарифма;
R - сопротивление резистора 6;
τ = R•C;
Энергия, рассеиваемая в сопротивлении R, в течение всего переходного процесса равна энергии, запасенной в электрическом поле до коммутации, т.е. в промежутке времени t, где Переходный процесс считают законченным через промежуток времени
t≅(3÷4)τ
Для расчета величины мощности потерь в прототипе, задают конкретные исходные данные, взятые, например, из расчета генератора, схема которого аналогична схеме аналога (К.И.Гутин, С.А.Цагарейшвили. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства. Выпуск 1 (53). ВИЭСХ, М., 1985 г., стр. 6-16).

Где f_о= 833 Гц - частота тока сигнала;
R=8 Oм - сопротивление резистора 6;
С=8•10^-6 Ф - емкость конденсатора 4₁;
L=4,57•10^-3 Гн - индуктивность первой катушки.

Определим время t_pаз(С), принятое для разряда конденсатора 4₁

Определим промежуток времени t_pаз(4τ) разряда конденсатора 4₁ за промежуток времени 4τ:
4τ=4Rc=4•8•8•10⁶=2,56•10^-4 сек (7)
Сравнивая выражения (6) и (7) можно считать, что конденсатор 4₁ полностью разрядился на резистор 6.

Определим мощность потерь Р_п за счет разряда конденсатора 4₁ на резистор 6 при непрерывной работе генератора
Р_п=U²C•f₀=380²•8•10^-6•833=960 Вт (8)
Учитывая, что генератор работает только при передаче символов "1", a при передаче символов "0" не работает и, что в сообщении количество сигналов "1" и "0" принимаем равным, мощность потерь при передаче символов "1" - Р_п("1") равна:

Следует учесть, что основная нагрузка по передаче сигналов приходится на генератор, установленный на диспетчерском пункте (ДП), который ведет циклический опрос состояния электрооборудования, установленного на 1, 2, 3.... контролируемых пунктах (КП). Принимают условия, что длительность передачи информации с КП в два раза больше, чем длительность запроса КП с ДП, тогда, с учетом (9), мощность потерь в генераторе ДП - Р_п(ДП) будет равна:

2. Рассмотрим работу генератора, реализующего заявленное изобретение.

Пусть потенциал фазы А выше потенциала "Земли", при этом открыты первый 5₁ и третий 5₃ диоды. В момент времени амплитудное значение тока заряда 2I_m, согласно (1) равно:

где
R=8 Ом,
L₁=4,57•10^-3 Гн,

f_o=833 Гц,
т. е. параметры для расчета t₁(t), приняты как в расчете прототипа по п. 1.

Во время прохождения тока i(t) по низковольтной обмотке трансформатора фазы А - первой катушке 3 - первому диоду 5₁ - резистору 6 - ключу 7 - третьему диоду 5₃ - "земле" в первой катушке 3 будет накапливаться электромагнитная энергия, которая в момент времени будет равна:

где 2I_m=16 А, согласно (11)
В момент времени ключ 7 размыкают и в параллельном контуре L₁С₁ возникнут свободные колебания тока i(t) при
В связи с тем, что первая 3 и вторая 8 катушки индуктивно связаны в последовательном контуре L₂С₂, также возникнет ток сигнала i_o(t), значение которого определено в (3).

Осцилограмма тока i_о(t) приведена на фиг.2. Выражение (3) можно записать в другом виде

Выражение (13) показывает, что в две фазы сети В и С вводят два тока на частотах ω₁ и ω₂, т.е.

i_о(f₁)=I_msinω₁t и i_o(f₂) = I_msinω₂t (14)
Таким образом, несмотря на то, что ключ 7 коммутирует с частотой f_о, в линию поступают два тока сигнала на частотах
f₁=f_o-F и f₂=f_o+F
Из описания работы схемы следует, что в заявленном техническом предложении тока разряда первого конденсатора 4 на резистор 6 нет, а значит нет и потерь, которые для конкретного примера в прототипе равны Р_п(ДП)=160 Вт. Также следует отметить, что с увеличением частоты f_о, как это следует из (8), потери увеличиваются прямопропорционально с увеличением f_о за счет увеличения в единицу времени числа циклов разряда конденсатора 4₁ на резистор 6.

Примечание. Есть в предложенном техническом решении ряд положительных добавочных моментов:
1. Для ключевых генераторов, которые работают при больших напряжениях, практически, трудно использовать транзисторы, которые работают с ограниченными токами и не держат импульсивных перегрузок в сотни ампер, поэтому приходится в качестве ключа применять тиристор с принудительным закрытием. Применить в прототипе транзистор на токи хотя бы до 50 А нельзя, т.к. в момент его открытия будет большой бросок тока разряда конденсатора 4₁, на резистор R, который заряжен до 530 В. Этот ток можно ограничить увеличением сопротивления резистора R, но тогда будет мал КПД и полезный ток.

2. В прототипе ключ находится под напряжением 530 В , в заявленном в - раз меньше, т.к. он работает не с линейным напряжением, а с фазным.

3. Учитывая вышесказанное, нам удалось выполнить генератор на транзисторе, причем сопротивление резистора R не 8 Ом, как в примере, а R=0, т.е. практически имеют потери в генераторе только в проводах и элементах схемы.

Выводы. Таким образом, цель, поставленная изобретением, доказана, т.е. снижена мощность потребления.

Формула изобретения

Пассивно-активный способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, в соответствии с которым, коммутируя ключ с частотой f_o, на пассивном участке времени t при при замкнутом ключе, накапливают электромагнитную энергию

в первой катушке индуктивности, закорачивая ток

по контуру: низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ фазы А - первая катушка индуктивности - первый диод, резистор - ключ - третий диод, отличающийся тем, что при разомкнутом ключе на активном участке времени , создают свободные колебания на частоте f_o в параллельном колебательном контуре, состоящем из первой катушки индуктивности и первого конденсатора, для чего указанный контур настраивают в резонанс на частоту f_o, при этом создают в последовательном колебательном контуре, состоящем из низковольтной обмотки трансформатора 10/0,4 кВ фазы В - второй катушки индуктивности, индуктивно связанной с первой катушкой индуктивности - второго конденсатора - низковольтной обмотки трансформатора 10/0,4 кВ фазы С, ток сигнала i_o(t), который представляет собой биения колебаний

вводят в трехфазную электрическую сеть через фазу В и фазу С, при этом последовательный колебательный контур настраивают в резонанс на частоту f_o где

при этом ток i(t) замыкают через третий диод на "земляную" шину, (нейтраль трансформатора 10/0,4 кВ, которая заземлена),

- период частоты сигнала;

- амплитудное значение фазного промышленного напряжения частоты F;

R - сопротивление резистора;

L₁ - индуктивность первой катушки индуктивности;

С₁ - емкость первого конденсатора;

2Um - амплитудное значение тока биений io(t);

ω₁=2πf₁; ω₂=2πf₂; f₁=f₀-F; f₂=f₀+F.

F=50Гц - частота промышленного напряжения;

L₂ - индуктивность второй катушки индуктивности;

С₂ - емкость второго конденсатора,

при этом L₁=L₂; C₁=C₂, трансформатор, образованный индуктивно связанными первой и второй катушками индуктивности, является идеальным с коэффициентом трансформации n=1 и коэффициентом связи к=I.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2