Пассивно-активный способ ввода токов в трехфазную электрическую сеть

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при передаче сигналов в трехфазной электрической сети без ее обработки высокочастотными заградителями. Технический результат заключается в снижении потребляемой мощности генератором. Для этого схема генератора с пассивно-активным способом ввода токов в трехфазную электрическую сеть содержит трансформатор, электрическую сеть, катушку индуктивности, конденсатор, диоды моста, ключ, резисторы. 3 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). 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 (Цагарейшвили С. А., Гутин К.И. Теоретические основы построения каналообразующего устройства на тональных частотах по электрическим сетям 0,4-35 кВ. Наука и технологии в промышленности, Москва, 2 (5), 2001, с.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 (фиг.1), в соответствии с которым на участке времени t, где 0tT_о, протекает ток сигнала i_о(t), который представляет собой биения колебаний. Осциллограмма тока сигнала i_о(t) приведена на фиг.2.

где 2I_m - амплитудное значение биений тока сигнала i₀(t); ₁ = 2f₁; ₂ = 2f₂; f₁ = f₀-F; f₂ = f₀+F; f₀ - частота сигнала, T₀ = 1/f₀ - период f₀; F = 50 Гц - частота напряжения в сети. Ток i₀(t) протекает по цепи: низковольтная обмотка трансформатора 10/0,4 кВ (трансформатор) фазы А - катушка индуктивности (катушка), при этом на пассивном участке времени t, где 0tT_o/4, накапливают электромагнитную энергию в катушке W_L W_L = I²(f₀)L, где L - величина индуктивности катушки; I(f₀) - действующее значение тока сигнала i₀(t).

На активном участке времени t, где T_o/4tT_o создают свободные колебания тока i₀(t) в колебательном контуре: низковольтная обмотка трансформатора фазы А - катушка - конденсатор - низковольтная обмотка трансформатора фазы С, причем колебательный контур настраивают в резонанс на частоту сигнала f₀ где L - величина индуктивности катушки; С - величина емкости конденсатора; L_тр - величина индуктивностей обмоток фаз А, В, С трансформатора.

В расчетах 2L_тр пренебрегают, т.к. 2L_тр<<L. Получают в сети четыре тока симметричных составляющих [1] прямой и обратной последовательностей: два тока - на частоте f₁,
два тока - на частоте f₂,
причем действующие значения токов симметричных составляющих равны

где I(f₁) и I(f₂) - действующие значения токов симметричных составляющих;
I(f₀) - действующее значение тока сигнала.

Трансформируют токи в электрическую сеть среднего напряжения 10 кВ. Индексы при токах обозначают соответственно: 1 - прямую АВС, 2 - обратную АСВ последовательности чередования фаз. Векторные диаграммы токов приведены на фиг.3.

Схема генератора с пассивно-активным способом ввода токов сигналов в трехфазную электрическую сеть (генератор) приведена на фиг.1, где:
1 - трансформатор,
2 - сеть,
3 - катушка индуктивности (катушка),
4 - конденсатор
5 - 5₁, 5₂, 5₃, 5₄ - соответственно первый, второй, третий, четвертый диоды моста 5,
6 - первый резистор,
7 - ключ,
8, 9, 10, 11 - резисторы - соответственно второй, третий, четвертый, пятый.

Работает ГЕНЕРАТОР следующим образом.

1. Рассмотрим работу генератора, выполненного по схеме как в принятом прототипе. Конденсатор прототипа 4₁ (фиг. 1) (показан пунктиром) включен между фазами АВ. 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 0tT₀/4 ключ замкнут. Через ключ протекают два тока: 1) ток заряда t₃(t) электромагнитной энергией катушки; 2) ток разряда i_p(t) 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 i_p(t) протекает по цепи: "плюс" конденсатора 4₁ - диод 5₁ - резистор 6 - ключ - диод 5₃ - "минус" конденсатора 4₁. Действующее значение напряжения, приложенного к конденсатору 4₁, равно U = 380 B. Энергия, накопленная конденсатором 4₁ за один период Т₀, равна
W_C = U²C, (5)
где W_C - энергия электрического поля, накопленная конденсатором 4₁, за один период Т₀;
U = 380 В - действующее значение линейного напряжения в сети;
С - величина емкости конденсатора 4₁.

При протекании тока i_p(t) разряда конденсатора 4₁ напряжение на нем U_с(t) убывает по экспоненте

где - амплитудное значение;
t - время разряда конденсатора, = RC;
e - основание натурального логарифма;
R - величина сопротивления резистора 6.

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 Т₀/4tT₀.

Переходный процесс считают законченным через промежуток времени
t (34).
Для расчета величины мощности потерь в прототипе задают конкретные исходные данные, взятые, например, из расчета генератора, схема которого аналогична схеме прототипа (Гутин К.И., Цагарейшвили С.А. Генератор гармонических колебаний для передачи информации в сельских электрических сетях. Научно-технический бюллетень по электрификации сельского хозяйства. Выпуск 1 (53). ВИЭСХ, М., 1985, с.6-16),
где f₀ = 833 Гц - частота тока сигнала i₀(t);
Q_к = 20 - добротность катушки;
Q_кк = 20 - добротность колебательного контура;
R = 8 Ом - величина сопротивления резистора 6;
С = 810^-6 Ф - величина емкости конденсатора 4₁;
L = 4,5710^-3 Гн - величина индуктивности катушки.

Определим время t_разр(C) принятое для разряда конденсатора 4₁

Определим промежуток времени t_разр() разряда конденсатора 4₁ за промежуток времени 4:
4 = 4RC = 48810^-6 = 2,5610^-4 с (8)
Сравнивая выражения (7) и (8), можно утверждать, что конденсатор 4₁ полностью разрядится на резистор 6.

Определим мощность потерь P_п за счет разряда конденсатора 4₁ на резистор 6 при непрерывной работе генератора
P_п = U²Cf₀ = 380²810^-6833 = 960 Вт (9)
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" одинаково, 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 условие, что длительность передачи информации с КП в два раза больше, чем длительность запроса с ДП, тогда с учетом (10) мощность потерь в генераторе ДП - P_п(ДП) будет равна

2. Рассмотрим работу генератора, реализующего заявленный способ, т.е. когда конденсатор 4 включен между фазами А и С, при условии, что потенциал фазы А выше потенциала фазы В, т.е. открыты диоды моста 5₁ и 5₃. Выше было отмечено, что при работе генератора, кроме тока разряда i_p(t), протекает ток i₃(t) заряда электромагнитной энергией катушки, который протекает в промежутке времени t, где 0tT₀/4.

Ток заряда катушки i₃(t) протекает по цепи: низковольтная обмотка трансформатора фазы А - катушка 3 - диод 5₁ - резистор 6 - ключ - диод 5₃ - низковольтная обмотка трансформатора фазы В. Определим максимальную величину этого тока при t = T₀/4; U = 380 B, R = 8 Oм, - амплитудное значение; L = 4,5710^-3 Гн; f_o = 833 Гц. Следует отметить, что этот ток будет равен амплитудному значению тока биений i₀(t) (фиг.2), согласно выражению (1), т.е. 2I_m

где t - время заряда катушки;
e - основание натурального логарифма.

Определим действующее значение тока I(f₀) сигнала при непрерывной работе генератора

Выражение (13) получено при условии, что ток сигнала i₀(t) в промежутке времени t, где 0tT₀/4 нарастает не по экспоненте (12), а по синусоиде, т. к. это допущение хорошо согласуется с экспериментом.

Определим I(f₁), I(f₂) - действующие значения токов симметричных составляющих - из (4) с учетом (13):


В момент времени t=T₀/4 ключ размыкают и за счет накопленной энергии в катушке (индуктивностью обмоток трансформатора пренебрегают в связи с их малостью по сравнению с индуктивностью катушки) в колебательном контуре возникнут свободные колебания i_{0 свобод}(t)

где L - индуктивность катушки;
R_к = R_кк - сопротивление резонансного контура;
С - емкость конденсатора 4;
U_m - амплитудное напряжение заряда конденсатора в момент времени размыкания ключа t=T₀/4;


L - индуктивность катушки;
e - основание натурального логарифма.

При этом считают, что колебательный контур настроен на частоту f₀, т.е. частота свободных колебаний частоте сигнала f_свобод равна частоте сигнала f₀.

Свободные колебания возникнут при выполнении условия:
В рассматриваемом случае

т.е. R_к<<48 Ом.

В момент времени t = 0 ключ замыкают и рассмотренный выше процесс работы генератора повторяют.

Рассмотрим вопрос разряда конденсатора 4 на сопротивление R 6.

Считаем, что в промежутке времени t, где 0tT_o/4, как в п.1 потенциал фазы А выше потенциала фазы В, т.е. открыты диоды 5₁ и 5₃ и конденсатор 4 имеет заряды, как показано на фиг.1 (обозначены пунктиром).

В этом случае для тока разряда конденсатора 4 i(С) имеются два пути прохождения.

Путь 1: "плюс" конденсатора - диод 5₁ - резистор 6 - ключ - диод 5₃ - низковольтная обмотка трансформатора фазы В - низковольтная обмотка трансформатора фазы С - "минус" конденсатора.

Активное сопротивление этой цепи R_{(путь 1)} равно
R_(путь1) = R = 8 Ом. (16)
Путь 2: "плюс" конденсатора - катушка - низковольтная обмотка трансформатора фазы А - низковольтная обмотка трансформатора фазы С - "минус" конденсатора 4.

Активное сопротивление этой цепи R_{(путь 2)} равно R_K, т.е.

При этом активными сопротивлениями индуктивностей обмоток трансформатора пренебрегают.

Резисторы 8, 9, 10, 11 устанавливают для устранения перенапряжений в обмотках трансформатора и катушки при коммутации ключа, это являлось еще одним недостатком в аналоге и прототипе.

Сравнивая выражения (16) и (17), можно утверждать, что в генераторе потребляемая мощность, расходуемая на разряд емкости через сопротивление R 6, снижена в К раз:

Определим мощность потерь R_потерь(ДП)₃ в заявленном генераторе с учетом (11) и (18)

Полученный результат (19) позволяет сделать вывод, что цель, поставленная изобретением, достигнута.

Литература
1. Гутин К. И. Повышение эффективности передачи информации в сельских электрических сетях напряжением 10 кВ. Диссертация на соискание ученой степени КТН. ВИЭСХ. - М., 1987, с.65, выражения (3.49) и (3.50).

Формула изобретения

Пассивно-активный способ ввода токов в трехфазную электрическую сеть, в соответствии с которым на участке времени t, где 0tТ₀, протекает ток i₀(t), который представляет собой биения колебаний

по цепи: низковольтная обмотка трансформатора фазы А - катушка индуктивности, при этом на пассивном участке времени t, где 0tТ₀/4, накапливают электромагнитную энергию в катушке индуктивности W_L= I²(f₀)L,
отличающийся тем, что на активном участке времени t, где Т₀/4tТ₀ создают свободные колебания тока i₀(t) в колебательном контуре: низковольтная обмотка трансформатора фазы А - катушка индуктивности - конденсатор - низковольтная обмотка трансформатора фазы С, при этом колебательный контур настраивают в резонанс на частоту сигнала f₀, где

получают в электрической сети низкого напряжения четыре тока симметричных составляющих, два на частоте

два на частоте

причем действующие значения токов симметричных составляющих равны

трансформируют токи в электрическую сеть среднего напряжения,
где 2Im - амплитудное значение биений тока i₀(t);
I(f₀) - действующее значение тока i₀(t);
I(f₁) и I(f₂) - действие значения токов симметричных составляющих на частотах f₁ и f₂; ₁ = 2f₁; ₂ = 2f₂;
F= 50 Гц - частота напряжения в трехфазной электрической сети;
f₀ - частота тока i₀(t);
W_L - величина накопленной электромагнитной энергии в катушке за один период Т₀= 1/f₀;
L+2L_тр - величина индуктивности в колебательном контуре;
L_тр - величина индуктивности низковольтных обмоток фаз А, В, С трансформатора, при расчетах пренебрегают в связи с их малостью;
L - величина индуктивности катушки индуктивности;
С - величина емкости конденсатора;
индексы при токах обозначают соответственно 1-прямую АВС, 2-обратную АСВ последовательности чередования фаз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3