УСТРОЙСТВО ЦАГАРЕЙШВИЛИ С.А. 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 УВД.

Известен генератор пассивно-активного типа, который предназначен для ввода 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 [Л1].

Известен также генератор пассивно-активного типа, который вводит токи сигналов в две Фазы. Данный генератор принят за прототип [Л1]. Недостатки прототипа те же, что и у аналога.

В заявленном устройстве Цагарейшвили С.А. ввода токов сигналов в линию низкого напряжения 220 В по схеме "Фаза-Земля" удалось значительно повысить скорость передачи сигналов, а сам канал образован только линиями низкого напряжения 220 В. В дальнейшем тексте устройство будем называть генератором.

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

где

- U(t)_вх - входное напряжение между третьим и четвертым узлами моста;

- - 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 [Л₂]:

где

- - амплитуда напряжения U(t)_вх;

- Ω=2πF - угловая частота;

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

- - постоянная составляющая двухполупериодного выпрямленного напряжения U(t)_вх

- ;

- напряжение второй гармоники U(t)_вых, где U_{m(100 Гц)}=130 В - амплитуда;

- , где U_{m(200 Гц)}=26 В - амплитуда - напряжение четвертой гармоники;

-

где

U_{m(100 Гц)}=130 В, U_{m(200 Гц)}=26 В, U_{m(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

.

Для выполнения этого неравенства достаточно снизить амплитуды

U_{m(100 Гц)} и U_{m(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 U_{m(100 Гц)} и U_{m(200 Гц)} в К раз, при этом колебательный контур настроен в резонанс на частоту F₀=150 Гц.

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

где

- r_Σ 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_к=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)

- 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_к - 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

- 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_Σ на частоте F₀:

где L=11,3·10^-3 Гн из (5);

C=100·10^-6 Ф из (4);

Q_(к)=1,5 из (7).

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

где

r_Σ=7 Ом из (8);

r_к=1 Ом из(6).

- Определим относительную расстройку δ частот F₁ и F₂ относительно резонансной частоты F₀ [Л3]:

*

*) При F₂=F₀=150 (режим резонанса)

δ=0, тогда из (11), полное сопротивление

r_п=r_Σ=7 Ом, т.е. чем дальше от резонанса, тем r_п больше.

- Определим полное сопротивление r_п. (F₁, F₂) последовательного колебательного контура на частотах F₁=100 Гц, F₂=200 Гц

где

r_Σ=7 Ом из (8);

Q_(к)=1,5 из (7);

δ=0,33 из (10).

- Определим амплитудные значения напряжений U_{m(100 Гц)} и U_{m(200 Гц)} после установки последовательного колебательного контура:

после установки колебательного контура

Таким образом, мы снизили значения

U_{m(100 Гц)} и U_{m(200 Гц)} в К=9 раз.

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

9<21,2 - ЭТОТ КРИТЕРИЙ ВЫПОЛНЯЕТСЯ

где

r_п(F₁,F₂)=9 Ом из (11);

L=11,3·10^-3 Гн из (5);

С=100·10^-6 Ф из (4).

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

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 В и считать, что между первым и вторым узлами моста присутствует только постоянная составляющая U_п=200 В.

ТРЕТЬЕ СОСТОЯНИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА

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

ключ замкнут (16)

ключ разомкнут (17)

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 ω₀, т.е. ПЕРВАЯ ГАРМОНИКА РАЗЛОЖЕНИЯ i(t), которая является токами сигналов

где R - сопротивление нагрузочного резистора генератора;

- амплитуда тока сигнала;

ω₀=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 , при этом должно выполняться условие

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

где

- - среднестатистическое значение скорости распространения волны по воздушным линиям 220 В;

- 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

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

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

Примечание:

Заметим, что минимальная длительность радиоимпульса в прототипе τ_u(прот)=0,02 сек, т.к. уменьшение τ_u(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 равными:

где

где значение I_{m. 0} 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

Всеми другими потерями пренебрегаем в связи с их малостью по сравнению с P_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, также снижено значение амплитуд U_{m(100 Гц)} и U_{m(200 Гц)} в К раз, где для выбранных параметров элементов схемы последовательного колебательного контура К=9.

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.

Устройство ввода токов сигналов в линию низкого напряжения 220 В частотой 50 Гц, содержащее фазу 1, нейтраль трансформатора 10/0, 4 кВ, которая заземлена, двухполупериодный мост, собранный на диодах Д₁, Д₂, Д₃, Д₄, при этом катоды диодов Д₁ и Д₂ подключены к первому узлу и первому выводу первого резистора, второй вывод которого подключен к клемме подвижного контакта управляемого ключа, вторая клемма которого подключена ко второму узлу и анодам диодов Д₃, Д₄, катод диода Д₄ и анод диода Д₁ подключены к третьему узлу, нейтраль трансформатора 10/0, 4 кВ подключена к четвертому узлу и подключена соответственно к катоду диода Д₃ и аноду диода Д₂, отличающееся тем, что введены конденсатор, катушка индуктивности и второй резистор, причем фаза 1 подключена к третьему узлу, первая обкладка конденсатора подключена к первому узлу, вторая обкладка конденсатора подключена к первому выводу катушки индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу резистора, второй вывод которого подключен ко второму узлу.