УСТРОЙСТВО ГУТИНА К.И. ВВОДА ТОКОВ СИГНАЛОВ В ЛИНИЮ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ 220 В Российский патент 2007 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 [1].

Известен так же генератор пассивного типа.

Данный генератор принят за прототип [4, с.59]. Недостатки прототипа те же, что и у аналога.

В заявленном устройстве [генераторе] 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

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

2. Первый резистор.

3. Второй резистор.

4. Третий резистор.

5. Первый конденсатор.

6. Второй конденсатор.

7. Третий конденсатор.

8. Ключ.

9. Заграждающий фильтр.

РАБОТА ГЕНЕРАТОРА.

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

ПЕРВОЕ СОСТОЯНИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА

Между первым и вторым узлами моста (фиг.1) фильтр 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 U(t)_вх,

*) 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

- постоянная составляющая двухполупериодного выпрямленного напряжения U(t)_вых

- напряжение второй гармоники U(t)_вых

- 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=200 В

Для выполнения этого неравенства достаточно снизить амплитуды напряжений, входящих в неравенство между первым и вторым выводами ключа.

ВТОРОЕ СОСТОЯНИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА

Подключим между первым и вторым узлами моста (фиг.1) заграждающий фильтр 9, который образован резисторами 2, 3, 4, имеют соответственно сопротивления: R₂, R₃, R₄, а конденсаторы 5, 6, 7 имеют соответственно емкости: С₅, С₆, С₇.

С помощью фильтра 9 на его выходе снижают значения амплитуд Um(100 Гц), Um(200 Гц), Um(300 Гц), при этом фильтр настроен на частоту среза F_ср=100 Гц. Заграждающий фильтр 9 состоит из двух параллельно соединенных Т-образных RC-фильтров верхних и нижних частот [3]. Фильтр верхних частот образован конденсаторами 5, 6 и резистором 4. Фильтр нижних частот образован резисторами 2, 3 и конденсатором 7.

При правильном выборе параметров элементов заграждающего фильтра можно добиться того, что при заданной частоте среза, в нашем случае F_ср=100 Гц, согласно формуле изобретения токи на выходах обоих Т-образных фильтров будут равны по величине и противоположны по знаку, вследствие чего ток на частоте F_ср=100 Гц через замкнутый ключ будет равен нулю. Следовательно, затухание на этой частоте F_ср=100 Гц будет бесконечно большим и ток через замкнутый ключ будет равен нулю [3].

В связи с тем, что частотная характеристика собственного затухания фильтра имеет плавный характер, то частоты вблизи частоты F_ср=100 Гц также будут иметь затухание. Это касается частот 200, 300 Гц и т.д.

Таким образом, после установки фильтра 9 на его выходе выполняется неравенство, которое необходимо для правильной работы генератора:

С учетом (3) можно пренебрегать значениями амплитуд гармоник 100 Гц, 200 Гц, 300 Гц и т.д., в связи с их малостью по сравнению с Uп=200 В и считать, что на выходе фильтра (точки 1-2) присутствует только постоянная составляющая Uп=200 В.

ТРЕТЬЕ СОСТОЯНИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА

Рассмотрим работу генератора, когда на информационный вход ключа (фиг.1, позиция 8) приходят управляющие его работой импульсы U(t)_упр, при этом выполняется условие:

где U_упр - необходимая амплитуда видеоимпульсов управления, достаточная для замыкания ключа. Далее процесс повторяют.

Когда ключ коммутируют с частотой тока сигнала f_о и при этом потенциал фазы 1 выше, чем потенциала "Земля" в линию 220 В вводят ток i(t), который с учетом (4) и (5) представляет собой последовательность видеоимпульсов с амплитудой U_п=200 В по цепи: фаза - диод Д1 - резистор 2 - резистор 3 - ключ 8 - узел 2 - диод Д3 -"Земля".

С учетом (4) и (5) последовательность видеоимпульсов тока, который протекает через резисторы 2 и 3 заграждающего фильтра 9 при коммутации ключа с частотой токов сигнала f_о имеет вид:

Далее процесс повторяют.

Где R=r₂+r₃ - величина нагрузочного сопротивления генератора

(фиг.1),

- период последовательности видеоимпульсов тока i(t).

Разложим (6) в ряд Фурье [2]:

В данном разложении в ряд Фурье нас интересует только ток сигнала с частотой ω_о, т.е. первая гармоника разложения i(t), которая является токами сигналов:

где R=r₂+r₃ - величина нагрузочного сопротивления генератора,

- амплитуда токов сигнала,

ω_о=2πf_o - угловая частота.

ВЫБОР ДИАПАЗОНА РАБОЧИХ ЧАСТОТ f_о

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 [4].

Прототип не может работать на частотах выше 3000 Гц без установки заградителей 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 (9), верхнюю границу частотного диапазона рабочих частот f_o:

где

- среднестатистическое значение скорости

распространения волны по линиям 220 В,

*) - длина волны,

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

*) f_o - рабочая частота в канале связи.

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

*) Из (10) и (11) определим полосу рабочих частот ΔF (f_o):

*) Определим минимальную длительность радиоимпульса τ_u в этой полосе, учитывая (12):

Примечание:

При выборе длительности радиоимпульса из (13) получают 90% энергии импульса, которая попадает в полосу пропускания приемника.

Определим максимальную скорость передачи токов сигналов в сетях 220 В с учетом (13)

*) Определим во сколько раз увеличена скорость передачи токов сигналов в заявленном техническом решении с учетом того, что в прототипе максимальная скорость передачи токов 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 амплитуды токов сигналов через нагрузочный резистор генератора равным:

где

значение I_m.o определено в (8)

*) Из (16) определим величину сопротивления R

где R=r₂+r₃.

В связи с тем, что r₂ и r₃ являются сопротивлениями резисторов 2 и 3, которые стоят в плечах Т-образного моста фильтра нижних частот (фиг.1), принимаем с учетом (17)

ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ ЗАГРАЖДАЮЩЕГО ФИЛЬТРА

Для фильтра нижних частот имеем [3]:

Для фильтра верхних частот имеем [3]^:

Приравняем (19) и (20)

где Ω_cp=2πF_cp - угловая частота среза.

Определим из (21) величину емкости С при:

R=100 Ом, Ωcp=2πF_ср=2π·100

С учетом величин фильтров нижних и верхних частот имеем:

*) Сопротивления резисторов 2 и 3 равны:

*) Емкость конденсатора 7 равна:

*) Сопротивление резистора 4 равно:

*) Емкости конденсаторов 5 и 6 равны:

Таким образом, мы доказали выполнение цели изобретения, а именно: повышена скорость передачи сигналов по сравнению с прототипом в 100 раз, а также снижены значения амплитуд напряжений второй, четвертой, шестой гармоник частоты Ω=2πF между первым и вторым выводами ключа, чем исключено влияние этих напряжений на образования токов сигналов i_o(t)=I_m.оcosω_оt.

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", 2001 г., №2(5), Москва, 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.171-172.

4. Гутин К.И. Повышение эффективности передачи информации в сельских электрических сетях напряжением 10 кВ. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. ВИЭСХ, Москва, 1987 г., стр.44.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием электрических сетей 220 В без обработки их высокочастотными заградителями. Достигаемый технический результат - повышена скорость передачи сигналов по сравнению с прототипом в 100 раз, а также снижены значения амплитуд напряжений второй, четвертой, шестой гармоник частоты питающего напряжения 50 Гц, чем исключено влияние этих напряжений на образование токов сигналов за счет установки заграждающего RC-фильтра. 1 ил.

Устройство ввода токов сигналов в линию низкого напряжения 220 В, содержащее фазу и нейтраль, которая заземлена, трансформатор 10/0,4 кВ, двухполупериодный выпрямительный мост на диодах Д1, Д2, Д3, Д4, при этом катоды диодов Д1 и Д2 подключены к первому выводу первого резистора, второй вывод ключа подключен к анодам диодов Д3, Д4, катод диода Д4 и анод диода Д1 подключены к фазе трансформатора 10/0,4 кВ, нейтраль трансформатора 10/0,4 кВ подключена к катоду диода Д3 и аноду диода Д2, отличающееся тем, что введены второй и третий резисторы и первый, второй и третий конденсаторы, при этом второй вывод первого резистора подключен к первой обкладке третьего конденсатора и к первому выводу второго резистора, второй вывод которого подключен к первой обкладке второго конденсатора и к первому выводу ключа, вторая обкладка третьего конденсатора подключена ко второму выводу ключа и к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого подключен ко второй обкладке второго конденсатора и к первой обкладке первого конденсатора, вторая обкладка которого подключена к первому выводу первого резистора.