Генератор цагарейшвили с.а. ввода токовых сигналов в трехфазную линию низкого напряжения 380 в частотой 50 гц
Владельцы патента RU 2303329:
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных линий электропередачи 380 В без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - повышение скорости передачи токовых сигналов в 100 раз. Это удалось осуществить за счет оптимального выбора диапазона рабочих частот с учетом длин линий 380 В, а также с учетом отсутствия гармонических помех частоты 50 Гц в выбранном диапазоне частоты. 1 ил.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в линиях низкого напряжения 380 В для образования канала связи на частотах в диапазоне (13-23) кГц, который входит в систему охранной телесигнализации объектов, которыми могут быть дачные участки, гаражи, торговые точки и т.д., где нет телефонной и радиосвязи с УВД.
Известен генератор пассивно-активного типа, который предназначен для передачи токовых сигналов по линиям (0,38-10-35) кВ. Частотный диапазон выбран с учетом длин линий (10-35) кВ.
В настоящее время максимальная скорость передачи токовых сигналов, которую можно осуществить в этом частотном диапазоне (500-3000) Гц, равна 50 Бит/сек, что является недостатком [л.1 стр.66].
Известен также генератор пассивного типа [л.1 стр.108]. Данный генератор принят за ПРОТОТИП. Недостатки ПРОТОТИПА те же, что и у АНАЛОГА - низкая скорость передачи токовых сигналов.
В заземленном генераторе ввода токовых сигналов в линию низкого напряжения 380 В повышена скорость передачи сигналов в 100 раз, а сам канал образован только линиями низкого напряжения 380 В.
Отличительные признаки от прототипа.
1. В заявленном генераторе «ввода токовых сигналов» в линию низкого напряжения 380 В» установлен заграждающий фильтр, настроенный на частоту среза 300 Гц, который снижает величину шестой гармоники частоты 50 Гц, вследствие чего ток на частоте 300 Гц через замкнутый ключ равен нулю, т.к. затухание на этой частоте будет бесконечно большим.
2. Прототип не может работать на частотах выше 3000 Гц без установки заградителей в связи с возникновением волновых процессов из-за больших длин линий 10-35 кВ.
3. Для работы заявленного генератора выбран оптимальный рабочий диапазон частот:
13·103 Гц≤f0≤23·103 Гц,
при этом полоса рабочих частот ΔF равна:
ΔF=10 кГц,
что в свою очередь позволило повысить скорость передачи сигналов в заявленном генераторе по сравнению с прототипом в 100 раз.
На чертеже приведена схема генератора токовых сигналов пассивного типа (генератор), который реализует заявленное техническое решение,
где:
1. Трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост (мост), который состоит из диодов Д1, Д2, Д3, Д4, Д5, Д6.
2. Первый резистор, R1 - его сопротивление.
3. Второй резистор, R2 - его сопротивление.
4. Третий резистор, R3 - его сопротивление.
5. Первый конденсатор, C1 - его емкость.
6. Второй конденсатор, С2 - его емкость.
7. Третий конденсатор, С3 - его емкость.
8. Управляемый ключ (ключ).
9. Заграждающий фильтр.
РАБОТА ГЕНЕРАТОРА
ПЕРВОЕ СОСТОЯНИЕ ГЕНЕРАТОРА
Заграждающий фильтр 9 не подключен к выходу моста 1 (точки 1-2) и на информационный вход ключа 8 не поступают импульсы, управляющие его работой, при этом между любыми фазами А, В, С имеют линейное напряжение U(t)вх, действующее значение которого равно 380 В.
где:
*) U(t)вх - входное линейное напряжение между любыми фазами А, В, С
*) 
- амплитуда входного линейного напряжения;
*) Ω=2πF - угловая частота;
*) F=50 Гц - промышленная частота напряжения U(t)вх
На выходе моста (точки 1-2) имеют выпрямленное напряжение, которое после разложения в ряд Фурье имеет вид [л.1 стр.69]
где:
- постоянная составляющая выпрямленного напряжения.
- напряжение шестой гармоники частоты 50 Гц,
- напряжение двенадцатой гармоники частоты 50 Гц,
где:
Um(300 Гц)=30 В, Um(600 Гц)=7В
соответственно амплитуды напряжений U(t)300 Гц и U(t)600 Гц.
Анализ величин амплитуд гармоник частоты 50 Гц показывает, что для правильной работы генератора необходимо выполнение неравенств:
Для выполнения этого условия достаточно снизить амплитуду напряжения шестой гармоники частоты 50 Гц с помощью заграждающего фильтра 9.
ВТОРОЕ СОСТОЯНИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА
Подключают на выход моста 1 заграждающий Фильтр 9, который образован резисторами 2, 3, 4, имеющими соответственно сопротивления R1, R2, R3, и конденсаторами 5, 6, 7, имеющими соответственно емкости C1, C2, С3. С помощью заграждающего фильтра 9, который настроен на частоту среза Fср.=300 Гц, снижают величину амплитуды шестой гармоники частоты 50 Гц. Заграждающий фильтр 9 состоит из двух параллельно соединенных Т-образных RC фильтров верхних и нижних частот [л.2]. Фильтр верхних частот образован конденсаторами 6, 7 и резистором 4. Фильтр нижних частот образован резисторами 2, 3 и конденсатором 5.
При правильном выборе параметров элементов заграждающего фильтра добиваются того, что при заданной частоте среза, в нашем случае Fср.=300 Гц, токи частоты 300 Гц на выходах обеих Т-образных фильтров будут равны по величине и противоположны по знаку, вследствие чего ток на частоте Fср.=300 Гц, через замкнутый ключ 8, будет равен нулю, т.к. затухание на этой частоте будет бесконечно большим.
Таким образом, после установки заграждающего фильтра 9 выполняется условие (3).
ТРЕТЬЕ СОСТОЯНИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА
Рассмотрим работу генератора, когда на информационный вход ключа 8 приходят управляющие его работой импульсы, при этом выполняется условие:
где: Uупр. - необходимая амплитуда видеоимпульсов управления, достаточная для замыкания ключа.
Далее процесс включения, выключения ключа повторяют.
Когда ключ коммутируют с частотой f0, в линию 380 В вводят ток, который с учетом (4) и (5) представляет собой последовательность видеоимпульсов с амплитудой Uп=512 В.
С учетом (4) и (5) последовательность видеоимпульсов тока, который протекает через резисторы 2 и 3 заграждающего фильтра 9, при коммутации ключа с частотой f0, имеет вид:
Далее процесс повторяют.
Где: R=R1+R2 - величина нагрузочного сопротивления генератора.
R1 и R2 - сопротивления резисторов 2 и 3.
- период последовательности видеоимпульсов тока i(t).
Разложим (6) в ряд Фурье [л.3]
В данном разложении нас интересует только ТОК СИГНАЛА io(t) частотой ωо, т.е. первая гармоника разложения i(t)
где: 
- амплитуда токовых сигналов.
ωo=2πf0 - угловая частота.
ВЫБОР ДИАПАЗОНА РАБОЧИХ ЧАСТОТ f0
Известно, что основными помехами при передаче сигналов по линиям электропередачи в тональном диапазоне частот являются нечетные гармоники частоты F=50 Гц питающего напряжения, которые убывают с ростом номера гармоник. На частоте выше 13 кГц напряжения гармонических помех соизмеримы с флуктационными помехами, которые по величине значительно меньше, чем гармоники частоты F=50 Гц [л.1 стр.44].
ПРОТОТИП не может работать на частотах выше 3000 Гц без установки заградителей в связи с возникновением волновых процессов из-за больших длин линий 10-35 кВ.
Известно, что линии 380 В имеют среднестатистическую длину l=3 км при скорости распространения волны в воздушных линиях 
[л.1 стр.26], при этом должно выполняться условие:
*) Определим с учетом (9) верхнюю границу частотного диапазона рабочих частот f0
где:
среднестатистическое значение скорости распространения волны по линиям 380 В,
- длина волны,
*) l=3 км - среднестатистическая длина линии 380 В,
*) f0 - рабочая частота в канале связи.
Таким образом, примем для работы в линиях низкого напряжения 380 В частотный диапазон:
*) Из (10) и (11) определим полосу рабочих частот ΔF(f0):
*) Определим минимальную длительность радиоимпульса τu вэтой полосе, учитывая (12):
Примечание:
При выборе длительности радиоимпульса из (13) получают 90% энергии импульса, которая попадает в полосу пропускания приемника.
Определим максимальную скорость передачи токовых сигналов в линиях 380 В с учетом (13)
*) Определим во сколько раз увеличена скорость передачи токовых сигналов в ЗАЯВЛЕННОМ ТЕХНИЧЕСКОМ ПРЕДЛОЖЕНИИ, с учетом того, что в прототипе максимальная скорость передачи токовых сигналов равна 50 Бит/сек
РЕАЛИЗАЦИЯ ЗАЯВЛЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ПРЕДЛОЖЕНИЯ
*) Задают амплитуду токовых сигналов исходя из Т.У.
*) Определяют величину сопротивления R с учетом (8)
В связи с тем, что R1 и R2 являются сопротивлениями резисторов 2 и 3, которые стоят в плечах Т-образного моста фильтра нижних частот, принимаем
ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ЗАГРАЖДАЮЩЕГО ФИЛЬТРА
*) Для Фильтра нижних частот имеем [л.2]:
*) Для Фильтра верхних частот имеем [л.2]:
*) Приравняем (19) и (20)
где: Ωср.=2πFср. - угловая частота среза.
*) Определим из (21) величину емкости C1 конденсатора 5
где: Fср.=300 Гц
R - получают в (16)
*) Сопротивление резистора 4 равно:
*) Емкости конденсаторов 6 и 7 равны:
Таким образом, мы доказали выполнение цели изобретения, а именно повышена скорость передачи сигналов по сравнению с прототипом в 100 раз.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гутин К.И. Повышение эффективности передачи информации в сельских электрических сетях напряжением 10 кВ. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. ВИЭСХ, Москва, 1987 г.
2. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники, Москва, «Энергия», 1966 г., стр.171-172.
3. Бронштейн И.Н., Сенедяев К.А. Справочник по высшей математике для инженеров и учащихся ВТУЗов, Москва, Гостехиздат, 1961 г., стр.554-555.
Генератор ввода токовых сигналов в трехфазную линию низкого напряжения 380 В, частотой 50 Гц, содержащий фазы А, В, С, трехфазный выпрямительный мост, собранный на диодах Д1, Д2, Д3, Д4, Д5, Д6, при этом катоды диодов Д1, Д2, Д3 объединены и подключены к первому выводу первого резистора, аноды диодов Д4, Д5, Д6 объединены и подключены к неподвижной клемме управляющего контакта ключа, катод диода Д4 и анод диода Д1 подключены к фазе А, катод диода Д5 и анод диода Д2 подключены к фазе В, катод диода Д6 и анод диода Д3 подключены к фазе С, отличающийся тем, что введены первый, второй, третий конденсаторы, второй, третий резисторы, второй вывод первого резистора подключен к первой обкладке первого конденсатора и к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к первой обкладке третьего конденсатора и подвижному контакту управляемого ключа, неподвижный контакт которого подключен к первому выводу третьего резистора и второй обкладке первого конденсатора, второй вывод третьего резистора подключен ко второй обкладке третьего конденсатора и первой обкладке второго конденсатора, вторая обкладка которого подключена к первому выводу первого резистора.
