ПАССИВНЫЙ СПОСОБ ГУТИНА К.И. ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ЛИНИЮ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ 220 В Российский патент 2005 года по МПК H04B3/54 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в линиях низкого напряжения 220 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 органами У.В.Д.

Известен пассивно-активный способ ввода токов сигналов, который реализован в генераторе при вводе токов сигналов в три фазы линии 0,38 кВ. Данный генератор работает в диапазоне частот (500-3000) Гц и предназначен для передачи токов сигналов по линиям (0,38-10-35) кВ. Частотный диапазон выбран с учетом длин линий (10-35) кВ. В настоящее время, максимальная скорость передачи токов сигналов, которую можно осуществить, в этом частотном диапазоне, равна 50 Бит/сек, что является недостатком [1].

Известен так же пассивно-активный способ ввода токов сигналов, который реализован в генераторе, при вводе токов сигналов в две фазы. Данный способ принят за ПРОТОТИП [1]. Недостатки ПРОТОТИПА те же, что и у АНАЛОГА.

В заявленном пассивном способе Гутина К.И. ввода токов сигналов в линию низкого напряжения 220 В, который реализован в генераторе пассивного типа, токи сигналов вводят в линию низкого напряжения 220 В по схеме "Фаза - Земля" при значительном повышении скорости передачи сигналов, а сам канал образован только линиями низкого напряжения 220 В.

На фиг.1 приведена схема генератора токов сигналов пассивного типа (генератор), который реализует заявленное техническое решение

где

1. Двухполупериодный выпрямительный мост (мост), который состоит из диодов Д₁, Д₂, Д₃, Д₄.

2. Конденсатор последовательного колебательного контура (контур).

3. Катушка индуктивности контура.

4. Нагрузочный резистор генератора (первый резистор)

5. Дополнительный резистор контура (второй резистор)

6. Управляемый ключ.

РАБОТА ГЕНЕРАТОРА.

Рассмотрим работу генератора в промежутке времени, когда потенциал Фазы 1 выше, чем потенциал "Земли" (нейтральная точка трансформатора 10/0,4 кВ, которая заземлена).

ПЕРВОЕ СОСТОЯНИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА

Между первым и вторым узлами моста (фиг.1) контур не подключен и на информационный вход ключа не поступают импульсы, управляющие его работой, при этом, между третьим и четвертым узлами моста будем иметь напряжение U(t)вх, действующее значение которого равно 220 В.

U(t)_вх=UmSin Ωt (1)

где *) U(t)вх - входное напряжение между третьим и четвертым узлами моста;

*) U_m220·√2 - амплитуда входного напряжения;

*) Ω=2πF - угловая частота;

*) F=50 Гц - частота напряжения U(t)вх.

Между первым и вторым узлами моста будем иметь двухполупериодное выпрямленное напряжение U(t)вых, которое после разложения в ряд Фурье, имеет вид [2]:

где

*) Um=220·√2 B - амплитуда напряжения U(t)вх;

*) Ω=2πF - угловая частота;

*) F=50 Гц - частота напряжения U(t)вх;

*) - постоянная составляющая двухполупериодного выпрямленного напряжения U(t)вых

*) - напряжение второй гармоники U(t)вых, где Um_{(100 Гц)}=130 B - амплитуда

*) где Um(200 Гц)₄=26 В - амплитуда

- напряжение четвертой гармоники

*)

где Um(100 Гц)=130 В, Um(200 Гц)=26 В, Um(300 Гц)=11 В

- соответственно амплитуды напряжений

U(t)_{100 Гц}, U(t)_{200 Гц}, U(t)_{300 Гц}, и т.д.

Анализ величин амплитуд показывает, что для правильной работы генератора, т.е. повышения его КПД, необходимо выполнение неравенства:

[Um(100 Гц), Um(200 Гц), Um(300 Гц)≪Uп=220 В

Для выполнения этого неравенства достаточно снизить амплитуды

Um(100 Гц) и Um (200 Гц).

ВТОРОЕ СОСТОЯНИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА

Подключим между первым и вторым узлами моста (фиг.1) последовательный контур, который образован конденсатором 2, катушкой индуктивности 3 и дополнительного резистора 5.

С помощью этого контура снижают значения амплитуд Um(100 Гц) и Um(200 Гц) в К раз, при этом колебательный контур настроен в резонанс на частоту F_о=150 Гц.

Определим выражение для дополнительного резистора r_g, который входит в контур (на Фиг.1 позиция 5)

r_g=r_∑-r_k (2)

где

*) r_∑ - суммарное активное сопротивление колебательного контура на частоте резонанса F₀.

*) r_к - активное сопротивление воздушной катушки индуктивности колебательного контура, которое равно:

где

*) f₀=150 Гц - резонансная частота контура;

*) Q_k=10 - добротность воздушной катушки индуктивности, которая намотана медным проводом. Значение Q_к определено из опыта.

*) L - индуктивность воздушной катушки индуктивности (на фиг.1 позиция 3);

Для определения численного значения L, зададим для расчета значение емкости конденсатора контура (на фиг.1 позиция 2)

C=100·10^-6Ф (4)

*) С учетом (4) определим численное значение L

*) Определим активное сопротивление катушки r_к, с учетом (5) при Q_к=10.

где L=11,3·10^-3 Гн из (5)

F₀=150 Гц из частотной характеристики колебательного контура (фиг.2).

Q_k - определена опытным путем.

На фиг.2 приведена частотная характеристика последовательного колебательного контура, при этом частоты 100 Гц и 200 Гц находятся на краях полосы пропускания контура ΔF, которая равна: ΔF=200-100 Гц=100 Гц

*) Определим необходимое значение добротности контура Q(к) (из фиг.2):

Из (7) следует, что добротность контура мала, поэтому необходимо в колебательный контур включить дополнительный резистор r_g согласно (2).

*) Определим суммарное сопротивление колебательного контура r_∑ на частоте F₀:

где L=11,3·10^-3 Гн из (5)

С=100·10^-6Ф из (4)

Q_(k)=1,5 из (7)

Определим из (2) величину дополнительного резистора r_g, который необходимо включить в колебательный контур, чтобы загрубить его частотную характеристику:

r_g=r_∑-r_k=7-1=6 Ом (9)

где

r_∑=70 м из (8)

r_k=10 м из(6)

*) Определим относительную расстройку δ частот F₁ и F₂, относительно резонансной частоты F₀ [3]:

*) Определим полное сопротивление r_n·(F₁, F₂)

последовательного колебательного контура на частотах F₁=100 Гц, F₂=200 Гц

где

r_∑=70 м из (8)

Q_(k)=1,5 из (7)

δ=0,55 из (10)

*) Определим амплитудные значения напряжений Um(100 Гц) и Um(2О0 Гц), после установки последовательного колебательного контура:

после установки колебательного контура

Таким образом, мы снизили значения

Um(100 Гц) и Um(200 Гц)в K=9 раз

*) Проверим выполнение КРИТЕРИЯ, при котором в последовательном колебательном контуре будет происходить колебательный процесс, для чего необходимо обеспечить выполнение неравенства:

или

9<21,2 - ЭТОТ КРИТЕРИЙ ВЫПОЛНЯЕТСЯ

где:

r_п(F₁, F₂)=90 м из (11)

L=11,3·10^-3 Гн из (5)

C=100·10^-6Ф из (4)

Таким образом, после установки контура выполняется неравенство, которое необходимо для правильной работы генератора:

[Um(100 Гц), Um(200 Гц), Um(300 Гц)]≪U_п=200 В (15)

С учетом (15) можно пренебрегать значениями амплитуд гармоник 100 Гц, 200 Гц, 300 Гц и т.д. в связи с их малостью по сравнению с U_п=200 B, и считать, что между первым и вторым узлами моста присутствует только постоянная составляющая U_п=200 B.

ТРЕТЬЕ СОСТОЯНИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА

Рассмотрим работу генератора, когда на информационный вход ключа (фиг.1 позиция 6) приходят управляющие его работой импульсы U(t)_упр.

где U_п.упр - амплитуда импульсов управления.

Далее процесс повторяют.

Когда ключ коммутируют с частотой f₀ и, при этом потенциал Фазы 1 выше потенциала "Земли" в линию 220 В вводят ток по цепи: (фиг.1).

Фаза 1 - диод Д₁ - узел 1 - нагрузочный резистор генератора 4 - управляемый ключ 6 - узел 2 - диод Д₃ - "Земля" (нейтраль трансформатора 10/0,4 кВ, которая заземлена).

Таким образом, с учетом (16) и (17), выразим временные зависимости для токов, проходящих через резистор 4:

Далее процесс повторяют.

Где R - величина сопротивления нагрузочного резистора генератора (фиг.1 позиция 4).

Разложим (18) в ряд Фурье [2]:

В данном разложении в ряд Фурье нас интересует ток сигнала с частотой w₀, т.е. ПЕРВАЯ ГАРМОНИКА РАЗЛОЖЕНИЯ i(t), которая является токами сигналов:

где R - сопротивление нагрузочного резистора генератора

- амплитуда тока сигнала,

w₀=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.

ПРОТОТИП не может работать на частотах выше 3000 Гц, в связи с возникновением волновых процессов из-за больших длин линий 10-35 кВ.

Линии 220 В имеют среднестатистическую длину l=3 км при скорости распространения волны в воздушных линиях V=280·10³ км/сек при этом должно выполняться условие:

λ>4l (21)

*) Определим, с учетом (21), верхнюю границу частотного диапазона:

где

*) V=280·10³ км/сек - среднестатистическое значение скорости распространения волны по воздушным линиям 220 В.

*) - длина волны.

*) l=3 км - среднестатистическая длина линии 220 В.

*) f₀ - рабочая частота в канале связи.

Таким образом, примем для работы в линиях низкого напряжения 220 В частотный диапазон:

13·10³ Гц≤f₀≤23·10³ Гц (22)

*) Из (22) определим полосу рабочих частот ΔF(f₀):

ΔF(f₀)=(23-13)·10³=10 кГц (23)

*) Определим минимальную длительность радиоимпульса в этой полосе, учитывая (23):

Примечание:

Заметим, что минимальная длительность радиоимпульса в ПРОТОТИПЕ τ_ч(прот)=0,02 сек, т.к. уменьшение τ_ч(прот) приводит к расширению полосы излучения, которая равна:

Это связано с наличием нечетных гармонических помех частоты 50 Гц, которые расположены через 100 Гц, и имеют большие уровни напряжений помех.

Определим максимальную скорость передачи сигналов в сетях 220 В с учетом (24)

*) Определим во сколько раз увеличена скорость передачи сигналов в ЗАЯВЛЕННОМ ТЕХНИЧЕСКОМ РЕШЕНИИ, с учетом того, что в прототипе максимальная скорость передачи сигналов равна 50 Бит/сек

В связи с тем, что в диапазоне частот выше 13 кГц нет гармонических помех, примем, исходя из опытных данных, значения токов сигналов через нагрузочный резистор генератора, равным:

i(t)=I_m.ocosw₀t=0,5·cosw₀t (27)

где

где значение I_m.o определено в (20)

*) Из (28) определим величину нагрузочного резистора генератора

*) Определим из (28) действующее значение токов сигналов:

*) Определим с учетом (29) и (30) мощность потерь в генераторе пассивного типа:

P_п-I_g ² R=0,36²·250=30 Вт (31)

Всеми другими потерями пренебрегаем в связи с их малостью по сравнению с Р_п.

Примечание:

Несмотря на то, что в генераторе пассивного типа потери меньше, чем в ПРОТОТИПЕ, сравнение делать не будем, т.к. ПРОТОТИП передает сигналы по линиям (0,38-10-35) кВ, а генератор, который реализует заявленное техническое решение передает сигналы только по сетям 220 В, так что сравнение будет некорректным.

Таким образом, мы доказали, что цель, поставленная изобретением, повышение скорости передачи сигналов по сравнению с ПРОТОТИПОМ, доказана и составляет повышение скорости передачи сигналов 100 раз, так же снижено значение амплитуд Um(100 Гц) и Um(200 Гц) в К раз, где для выбранных параметров элементов схемы последовательного колебательного контура, К=9.

*) При F₂=F₀=150 Гц (режим резонанса)

δ=0, тогда из (11), полное сопротивление r_n=r_∑=7 Ом, т.е. чем дальше от резонанса, тем r_п больше.

ЛИТЕРАТУРА

1. Цагарейшвили С.А., Гутин К.И. Теоретические основы построения каналообразующего устройства на тональных частотах по электрическим сетям 0,4-35 кВ. Журнал "Наука и технологии в промышленности", №2(5), Москва, 2001 г., стр.55-56.

2. Бронштейн И.Н., Сенедяев К.А. Справочник по высшей математике для инженеров и учащихся ВТУЗов, Москва, Гостехиздат, 1961 г., стр.554-555.

3. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники, Москва, "Энергия", 1966 г., стр.69-74, стр.242.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в линиях низкого напряжения 220 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. Технический результат - повышение скорости передачи сигналов. 2 ил.

Пассивный способ ввода токовых сигналов в линию низкого напряжения 220 В частотой 50 Гц, в соответствии с которым производят двухполупериодное выпрямление напряжения 220 В, подавая его на входную диагональ двухполупериодного моста из диодов Д₁ Д₂, Д₃, Д₄, параллельно выходной диагонали которого включен последовательный колебательный контур, образованный конденсатором, катушкой индуктивности и дополнительным резистором, настроенным в резонанс на частоту F_o=150 Гц, отличающийся тем, что коммутируя управляемый ключ с частотой f_o, вводят токовые сигналы с частотой f_o в линию низкого напряжения по цепи: фаза 1, диод Д₁ «плюс» выходной диагонали моста, нагрузочный резистор, управляемый ключ, «минус» выходной диагонали моста, диод Д₃, нейтральная точка, при этом диапазон изменения частоты коммутации управляемого ключа определяется математическим выражением

13кГц<f_о<23кГц.