Патент на изобретение №2224368

(54) ГЕНЕРАТОР ГУТИНА К.И. ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ТРЕХФАЗНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СЕТЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных электрических сетей. Достигаемый технический результат – снижение потребляемой мощности. Генератор ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть содержит трансформатор 10/0,4 кВ, трехфазный выпрямительный двухполупериодный мост, шесть конденсаторов, шесть катушек индуктивности, резистор, управляемый ключ. 1 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 до 600 Вт.

Известен способ (АНАЛОГ), ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть (сеть), который реализован в генераторе с пассивно-активным способом, при вводе токов сигналов в две фазы сети (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, Москва, 1985 г., стр.7).

Недостатками данного генератора являются:
1. Образование 4-х токов вместо двух в сети:

Индексы при токах обозначают соответственно 1 – прямую АВС, 2 – обратную АСВ последовательности чередования фаз.

Для приема используют только токи
На “паразитные” токи затрачивают бесполезно мощность.

2. Большая мощность потерь на разряд междуфазного конденсатора на резистор.

Известен также способ ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, который реализован в генераторе с пассивно-активным способом при вводе токов в три фазы, который принят за прототип (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., рис.3, стр.56).

Данный генератор генерирует два тока что является достоинством по сравнению с аналогом, т.к. в нем не тратят мощность на образование “паразитных” токов но остались недостатки:
1. Наличие двух токов сигналов что увеличивает полосу частот в два раза занимаемой каналом связи. При передаче токов сигналов, как это выполнено в заявленном техническом решении, полосу частот уменьшают в два раза.

3. Амплитуду тока увеличивают в два раза при одновременном уменьшении потребляемой мощности до 300 Вт по сравнению с прототипом, за счет исключения разряда междуфазных конденсаторов на резистор.

На чертеже приведена схема генератора, реализующего предложенное техническое решение.

1. Трансформатор 10/0,4 кВ (трансформатор).

2. Сеть 10 кВ.

3. Сеть 0,4 кВ (сеть).

4. Трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост (мост).

5. Первая катушка индуктивности (катушка).

6. Первый конденсатор.

7. Вторая катушка, которая индуктивно связана с первой катушкой.

8. Второй конденсатор.

9. Третья катушка.

10. Третий конденсатор.

11. Четвертая катушка, которая индуктивно связана с третьей катушкой.

12. Четвертый конденсатор.

13. Пятая катушка.

14. Пятый конденсатор.

15. Шестая катушка, которая индуктивно связана с пятой катушкой.

16. Шестой конденсатор.

17. Резистор.

18. Управляемый ключ.

Работает генератор следующим образом.

На информационный вход ключа подают импульсы управления. Ключ замкнут в промежутке времени 0tT₀/4 – ПАССИВНЫЙ участок, ключ 18 находится в разомкнутом состоянии – АКТИВНЫЙ участок в промежутке времени T₀/4tT₀. Ключ 18 коммутируют с частотой сигнала f_о. Между точками 1-2 моста постоянная составляющая трехфазного выпрямленного напряжения равна

где – амплитуда линейного напряжения.

Пусть потенциал Фазы А выше, чем потенциал Фазы В. Открыты затемненные диоды моста 4. Ключ 18 находится в замкнутом состоянии в промежутке времени 0tT₀/4. При этом пойдет ток i(t) заряда электромагнитной энергией первой 5, третьей 9, пятой 13 катушек по цепи: Фаза А – мост 4 – первая катушка 5, третья катушка 9 – пятая катушка 13 – резистор 17, ключ 18 – мост 4 – Фаза В. Ток i(t) равен

где R – сопротивление резистора 17, активными сопротивлениями 2 Rтр, 2Rg, 3 Rк пренебрегаем.

L= L₁+L₃+L₅ – сумма индуктивностей соответственно первой 5, третьей 9, пятой 13 катушек, 2 Lтр пренебрегаем;
T_o=1/f₀ – период частоты f_о;
2I_m – aмплитyдa тока i(t) в момент времени t=T_o/4.

В момент времени t=T_o/4 ключ 18 размыкают.

Принимают условие
L₁=L₂=L₃=L₄=L₅=L₆, (3)
где L₂, L₄, L₆ – индуктивности соответственно второй 7, четвертой 11, шестой 15 катушек.

C₁=C₂=C₃=C₄=C₅=C₆, (4)
где С₁, С₂, С₃, С₄, С₅, С₆ – емкости соответственно первого 6, второго 8, третьего 10, четвертого 12, пятого 14, шестого 16 конденсаторов.

Первый параллельный колебательный контур (контур 1) образован катушкой 5 и конденсатором 6.

Второй параллельный контур (контур 2) образован катушкой 9 и конденсатором 10.

Третий параллельный контур (контур 3) образован катушкой 13 и конденсатором 14;
Четвертый последовательный контур (контур 4) образован Фазой А – катушкой 7 – конденсатором 8 – Фазой В;
Пятый последовательный контур (контур 5) образован Фазой В – катушкой 11 – конденсатором 12 – Фазой С;
Шестой последовательный контур (контур 6), образован Фазой С – катушкой 15 – конденсатором 16 – Фазой А.

В связи с тем, что контуры 1, 2, 3, а также контуры 4, 5, 6 имеют одинаковые параметры, рассмотрим совместную работу контуров 1 и 4, т.к. работа 2 и 5, а также 3 и 6 контуров будет идентична.

В момент времени t=T_o/4 ключ 18 размыкают и в контуре 1 возникает ток свободных колебаний i(t) на частоте _cв = _o, который равен
i₁(t) = 2Iml^–tsin_ot, (5)
где l^–t – коэффициент затухания;
R₁ – активное сопротивление катушки 5,
Q – добротность катушек 1, 2, 3, 4, 5, 6.

_cв = _o – круговая частота токов сигнала.

Свободные колебания токов происходят за счет накоплений электромагнитной энергии, когда ключ был замкнут. В момент времени t=T_o/4 ключ снова замыкают и процесс повторяют. В связи с тем, что первая 5 и вторая 7 катушки индуктивно связаны, в контуре 4 возникает ток сигнала i₄(t), который равен
i₄(t) = 2Iml^–tsin_ot, (6)
Этот ток протекает по цепи: Фаза А – катушка 7 – конденсатор 8 – Фаза В. По аналогии в контурах 5 и 6 также возникнут токи сигналов, которые равны
i₄(t)=i₅(t)=i₆(t). (7)
Эти токи вводят в три Фазы АВ, ВС, СА, которые образуют токи симметричных составляющих прямой последовательности на частоте .

В связи с тем, что Q=20-30 для воздушных катушек, максимальная величина l^–t не превышает значения 10%, поэтому для простоты коэффициентом затухания l^–t пренебрегаем.

Также для упрощения изложения, что не отразится на принципе работы генератора, принимаем, что
ПЕРВЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, который образован индуктивно связанными первой 5 и второй 7 катушками индуктивности,
ВТОРОЙ ТРАНСФОРМАТОР, который образован индуктивно связанными третьей 9 и четвертой 11 катушками индуктивности,
ТРЕТИЙ ТРАНСФОРМАТОР, который образован индуктивно связанными пятой 13 и шестой 15 катушками индуктивности, являются идеальными трансформаторами с коэффициентом трансформации n, для частого случая n=1 и коэффициентом связи, близким к единице (Г.И. Атабеков. Теоретические основы электротехники. Часть I . М.-Л.: Энергия, 1966 г.).

Будем считать, что токи i₄(t), i₅(t) i₆(t) при принятых условиях равны
i₄(t) = i₅(t) = i₆(t) = 2I_msin_ot. (8)
Причем величины амплитуд токов, согласно (8), мы приняли для сравнения равными токам, которые вводят в сеть от генератора прототипа.

Ток генератора прототипа i_пр(t) в Фазах АВ, ВС, СА равен

Это выражение можно записать в другой форме
i_пр(t)=i_пр1(t)+i_пр2(t) (10)
где

₁ = _o–;
₂ = _o+;
= 2F;
F=50 Гц,
т.е. в сеть вводят два тока .

В связи с тем что в ЗАЯВЛЕННОМ генераторе ток вводят в сеть на одной частоте f_о, а в ПРОТОТИПЕ – на двух частотах f₁ и f₂, сравним амплитуду тока в ЗАЯВЛЕННОМ генераторе из (2), которая равна 2Im и в ПРОТОТИПЕ из (11), которые равны для токов i_пр1 и i_пр2 – Im.

Это отношение будет равно 2.

Рассмотрим вопрос разряда конденсатора на резистор в аналоге и прототипе, что одно и то же, но в аналоге приведены исходные данные генератора, которые нам понадобятся для расчетов.

Дано:
1. Емкость разряда конденсатора Ср=810^-6 Ф.

На чертеже подключение Ср приведено пунктиром.

2. Сопротивление резистора 17 R=7 Oм.

3. Частота f_c=833 Гц.

Ток разряда конденсатора Сp протекает по цепи: “плюс” конденсатора Cp – резистор 17, ключ 18 – “минус” конденсатора Cp, в промежутке времени 0tT_o/4. В момент t=o конденсатор был заряжен до напряжения. Напряжениями 6, 12 и т.д. гармоник частоты 50 Гц между точками 1-2 пренебрегаем в связи с их малостью по сравнению с напряжением Е_о=512 В. Энергия, рассеиваемая в сопротивлении резистора 17 в течение переходного процесса, равна энергии, запасенной в электрическом поле конденсатора Ср до коммутации, т.е. в промежутке T_o/4tT_o. Обычно переходной процесс считают законченным через промежуток времени
t(3-4),
где =RC_p.

Определим время разряда t_p для конденсатора Ср

Определим время разряда t
при =4

Сравнивая (12) и (13), можно утверждать, что конденсатор Cp полностью разрядится на резистор 17.

Определим мощность потерь Рп за счет разряда конденсатора Ср на резистор 17 при непрерывной работе генератора
P_п = E²_oC_pf_o = 512²810^-68331750 Bт (14)
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” 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-Рп (ДП) будет равна

ВЫВОДЫ:
1. Амплитуды токов, вводимых в Фазы АВ, ВС, СА, в заявленном генераторе увеличились в два раза по сравнению с прототипом.

2. Полоса частот, занимаемая каналом связи, уменьшилась в два раза по сравнению с прототипом за счет работы на одной частоте f_о, а не на двух частотах f₁ и f₂.

3. Снижена мощность потерь в генераторе на 290 Вт по сравнению с прототипом за счет устранения процесса разряда междуфазных конденсаторов на резистор.

Таким образом, цель, поставленная изобретением, достигнута.

Формула изобретения

Генератор ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть, содержащий трансформатор 10/0,4 кВ, который имеет три фазы А, В, С на стороне 0,4 кВ, первую, вторую, третью катушки индуктивности, первый, второй, третий конденсаторы, трехфазный выпрямительный двухполупериодный мост, который имеет три входа, которые соответственно подключены к фазам А, В, С, и два выхода – “плюсовую” и “минусовую” шины, резистор, второй вывод которого подключен к входу управляемого ключа, выход которого подключен к “минусовой” шине, отличающийся тем, что в него введены четвертая, пятая, шестая катушки индуктивности, четвертый, пятый, шестой конденсаторы, при этом “плюсовая” шина подключена к первому выводу первой катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу третьей катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу пятой катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу резистора, первая обкладка второго конденсатора подключена к фазе В, вторая обкладка которого подключена к первому выводу второй катушки индуктивности, которая индуктивно связана с первой катушкой индуктивности, второй вывод второй катушки индуктивности подключен к фазе А, первая обкладка четвертого конденсатора подключена к фазе С, вторая обкладка которого подключена к первому выводу четвертой катушки индуктивности, которая индуктивно связана с третьей катушкой индуктивности, второй вывод четвертой катушки индуктивности подключен к фазе В, первая обкладка шестого конденсатора подключена к фазе А, вторая обкладка которого подключена к первому выводу шестой катушки индуктивности, которая индуктивно связана с пятой катушкой индуктивности, второй вывод шестой катушки индуктивности подключен к фазе С, при этом первый, третий, пятый конденсаторы соответственно подключены параллельно к первой, третьей, пятой катушкам индуктивности.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 16.04.2004

Извещение опубликовано: 20.05.2006 БИ: 14/2006