генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи
Классы МПК: | H04B3/54 системы передачи информации по линиям энергоснабжения |
Автор(ы): | Цагарейшвили С.А., Гутин К.И., Литвин Ю.А., Новиков В.А., Козин Н.К., Цагарейшвили А.С., Цагарейшвили Н.С., Антия Д.А. |
Патентообладатель(и): | Гутин Клавдий Иосифович |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-04-15 публикация патента:
20.02.2004 |
Изобретение относится к электротехнике и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных линий электропередачи. Достигаемый технический результат - снижение потребляемой мощности. Генератор ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи содержит трансформатор 10/0,4 кВ, трехфазный двухполупериодный мост напряжения 0,4 кВ частоты 50 Гц, две катуши индуктивности, резистор, два конденсатора, блок управления, управляемый ключ. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Генератор ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, содержащий трансформатор 10/0,4 кВ, трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост напряжения 0,4 кВ частоты 50 Гц, входы которого подсоединены соответственно к фазам А, В, С трансформатора 10/0,4 кВ, выход которого имеет "плюсовую" и "минусовую" шины, причем "плюсовая" шина подключена к первому выводу второй катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первой обкладке второго конденсатора и к первому выводу резистора, второй вывод которого подключен к первому входу управляемого ключа, выход которого подключен к "минусовой" шине, первую катушку индуктивности, первый конденсатор, блок управления, выход которого подключен ко второму входу управляемого ключа, отличающийся тем, что вторая обкладка второго конденсатора подключена к первому выводу второй катушки индуктивности, первая обкладка первого конденсатора подключена к фазе С трансформатора 10/0,4 кВ, вторая обкладка которого подключена к первому выводу первой катушки индуктивности, которая индуктивно связана со второй катушкой индуктивности, второй вывод первой катушки индуктивности подключен к фазе В трансформатора 10/0,4 кВ.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием трехфазных линий электропередачи (0,4-35) кВ (линия) без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - снижение потребляемой мощности из сети. Известен генератор для ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи (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.7). Недостатками данного генератора являются:1. Образование 4-х токов вместо двух в линии электропередачи:
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-2t.gif)
Индексы при токах
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-3t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-4t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-5t.gif)
где f1=fo-F; f2=fo+F,
fo - частота сигнала (коммутации ключа). F - частота напряжения линии. 2. За счет разряда конденсатора на резистор, затрачивают большую мощность. Известно также "Устройство (генератор) передачи сигналов по проводам трехфазной линии электропередачи", который принят за прототип. А.с. SU 1757111 A1, H 04 В 3/54. Бюл. 31 1992 г. Данный генератор генерирует два тока
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-6t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-7t.gif)
В предлагаемом техническом решении процесса разряда конденсатора на резистор нет. Поэтому в качестве ключа можно применять как транзистор, так и тиристор, в зависимости от требуемых величин вводимых токов. Следует также отметить, что при использовании тиристора он может не закрыться, например, при грозе и устройство выйдет из строя за счет наводимых импульсных помех в проводах, поэтому необходимо предусмотреть специальную защиту тиристора, как это выполнено, например, в "Устройстве передачи сигналов по проводам трехфазной линии электропередачи", патент RU 200237 C1, 5 Н 04 В 3/54. Бюл. 39-40 1993 г. Реализация предложенного технического решения значительно снижает потребляемую мощность, а также не требует применения защиты при использовании транзистора. На чертеже приведена схема генератора, которая реализует заявленное техническое предложение. 1. Трансформатор 10/0,4 кВ (трансформатор). 2. Трехфазная линия электропередачи 10 кВ. 3. Трехфазная линия электропередачи 0,4 кВ (линия). 4. Трехфазный двухполупериодный выпрямительный мост (мост). 5. Вторая катушка индуктивности (катушка). 6. Второй конденсатор (конденсатор). 7. Первая катушка. 8. Первый конденсатор. 9. Резистор. 10. Управляемый ключ (ключ). 11. Блок управления. Работает генератор следующим образом:
1. Для определения потерь в прототипе разберем его работу, для этого исключают из схемы чертежа элементы 7 и 8, а конденсатор 6 включают как в прототипе, положение 61, показано пунктиром. Для расчета зададим конкретные данные, которые встречаются на практике. Дано:
fо=1000 Гц - частота сигнала (коммутации ключа);
L2=6,5
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
C2=4
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
R=10 Ом - сопротивление резистора 9;
Ео= 512 В - постоянная составляющая выпрямленного трехфазного линейного напряжения между точками 1-2 чертежа;
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224012/948.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-8t.gif)
Индуктивностями обмоток трансформатора 1 фаз А, В, С пренебрегают в связи с их малостью по сравнению с индуктивностями катушек 5 и 7. Активными сопротивлениями обмоток трансформатора 1 фаз А, В, С, сопротивлениями диодов моста 4, сопротивлением ключа 10 пренебрегают в связи с их малостью по сравнению с сопротивлением резистора 9. Определим амплитудное значение тока, проходящего через катушку 5, резистор 9 и ключ 10 в момент времени
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-9t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-10t.gif)
Действующее значение этого тока равно
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-11t.gif)
Это значение тока 12 А при заданной мощности трансформатора 1000 кВ и частоте сигнала fо=1000 Гц разрешено вводить в трехфазную линию электропередачи правилами МЕЖДУНАРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ КОМИССИИ (МЭК). Рассмотрим процесс разряда конденсатора 61 на резистор 9, как это происходит в прототипе. Конденсатор 61 заряжен как это показано на чертеже. В промежутке времени
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-12t.gif)
1. Ток заряда i1(t) энергией катушки 5;
2. Ток разряда конденсатора 61 на резистор 9. Ток разряда конденсатора 61 протекает по цепи: "плюс" конденсатора 61 - резистор 9 - ключ 10 - "минус" конденсатора 61. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, приложенного к конденсатору 61, равна Ео=512 В. Энергия, W6,1, накопленная конденсатором 61 за один период То, равна
W6.1=E0 2
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
С6.1 - емкость конденсатора 61. При протекании тока разряда конденсатора 61, напряжение на нем U6.1(t) убывает по экспоненте
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-13t.gif)
где
Eo=512 B
t - время разряда конденсатора;
l - основание натурального логарифма;
R - сопротивление резистора 9;
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224154/964.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
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
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-14t.gif)
t
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224361/8773.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224029/247.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224154/964.gif)
Определим время tp (C6.1), принятое для разряда конденсатора 61
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-15t.gif)
Определим промежуток времени tp(
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224154/964.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224154/964.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-16t.gif)
Сравнивая выражения (6) и (7) можно считать, что конденсатор 61 полностью разрядился на резистор 9. Определим мощность потерь Рп, за счет разряда конденсатора 61 на резистор 9 при непрерывной работе генератора
Pп=E0 2
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224030/8776.gif)
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" - Рп("1") равна
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-17t.gif)
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:
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-18t.gif)
Следует отметить, что это справедливо при пассивной передаче символа "0". При передаче символа "0" активным способом потери возрастут в два раза
Pп(DП)=170
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
2. Рассмотрим работу генератора, который реализует предложенное техническое решение Фиг.1. Блок управления 11 вырабатывает импульсы управления для управления ключом 10, который коммутируют с частотой fо. Ключ 10 находится в замкнутом положении в промежутке времени
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-19t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-20t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-21t.gif)
где
L2=6,3
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
C2=4
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-22t.gif)
где
L1 - индуктивность катушки 7;
C1 - емкость конденсатора 8. В частном случае L1=L2=6,3
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
С1=С2=4
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
В этом генераторе нет тока разряда конденсатора на резистор, а значит, нет и потерь мощности, которая при передаче символа "0" активным способом в прототипе равна 340 Вт. При прохождении тока заряда катушки 5 по цепи: (считаем, что потенциал фазы А выше потенциала фазы В, открыты затемненные диоды моста) фаза А - мост 4 - катушка 5 - резистор 9 - ключ 10 - мост 4 - фаза В, электромагнитная энергия W, запасенная катушкой 5 будет равна
I2gL2 = 122
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224361/8773.gif)
где Ig= 12 A - из выражения (3);
L2=6,3
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
За счет этой энергии W в параллельном контуре в промежутке времени
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-23t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224076/969.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224076/969.gif)
i2(t) = Im
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224012/948.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224076/969.gif)
где Im=17 А - согласно выражению (2)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-24t.gif)
R2 - активное сопротивление второй катушки;
Q - добротность второй катушки 5;
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224076/969.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224076/969.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224076/969.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224068/960.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224012/948.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-25t.gif)
Примем Q=20
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-26t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-27t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-28t.gif)
Таким образом, амплитуда тока i2(t) в момент времени t=To, когда вновь замкнут ключ 10, будет равна
Im
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224012/948.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224006/8226.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-29t.gif)
io(t) = Imocos
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224076/969.gif)
Так как ток io(t) вводят по схеме фаза - фаза на одной частоте fo в трехфазной линии, так же будут присутствовать два тока, как и в прототипе, т.е. токи прямой последовательности на частоте
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-30t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-31t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224366/2224366-32t.gif)
![генератор гутина к.и. ввода токов сигналов в трехфазную линию электропередачи, патент № 2224366](/images/patents/244/2224012/948.gif)
Таким образом, мы доказали, что цель, поставленная изобретением, достигнута, т.к. снижена мощность генератора на 340 Вт.
Класс H04B3/54 системы передачи информации по линиям энергоснабжения