ПАССИВНЫЙ СПОСОБ 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 органами УВД.

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 в известном способе 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 также пассивный способ ввода токов сигналов.

Данный способ принят за прототип [4, с.59]. 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, между пунктами передачи и приема сигналов, образован только линиями низкого напряжения 220 В.

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

Позиции на чертеже:

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 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 B,

Um_{(300 Гц)}=11 B

- 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)}]≪Un=200 B

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 (см. чертеж) заграждающий Фильтр 9, который образован резисторами 2, 3, 4, которые 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_cp=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 обеих 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 и т.д. Гц.

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 Un=200 B и считать, что на выходе Фильтра (точки 1-2) присутствует только постоянная составляющая Un=200 B.

ТРЕТЬЕ СОСТОЯНИЕ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРА

Рассмотрим работу генератора, когда на информационный вход ключа (позиция 8) приходят управляющие его работой импульсы U(t)_упр, 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_o 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 Un=200 B 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_o имеет вид:

Далее процесс повторяют.

Где: R=r₂+r₃ - величина нагрузочного сопротивления генератора (см. чертеж)

- 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_o=2πf_o - 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 [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_о - 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 (см. чертеж), 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_ср=2πF_ср - угловая частота среза.

Определим из (21) величину емкости С при:

R=100 Ом, Ω_ср=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_ot.

Источники информации

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, М.: Гостехиздат, 1961 г., стр.554-555.

3. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники, М.: 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.

Пассивный способ ввода токов сигналов в линию низкого напряжения 220 В, в соответствии с которым производят двухполупериодное выпрямление низкого напряжения 220 В, которое подают на входную диагональ между третьим и четвертым узлами двухполупериодного выпрямительного моста, при этом на выходной диагонале указанного моста между его первым и вторым узлами имеют выпрямленное напряжение U(t)_вых., отличающийся тем, что гармоники, составляющие напряжение U(t)_вых. - Um(100 Гц), Um (200 Гц) и Um (300 Гц) снижают настроенным на частоту среза F_cp.=100 Гц заграждающим фильтром, подключенным к выходной диагонале упомянутого моста и состоящим из двух параллельно соединенных Т-образных RC-фильтров верхних и нижних частот соответственно, для ввода токов сигналов i_o(t)=Im_ocos ω_o t в линию низкого напряжения 220 В 50 Гц коммутируют ключ с частотой f_o, при этом выполняется условие:

- ключ замкнут,

- ключ разомкнут, когда потенциал фазы 1 низкого напряжения 220 В, 50 Гц выше потенциала нейтральной точки, токи сигналов протекают по цепи фаза 1 - диод Д1 двухполупериодного выпрямительного моста - резистор 2 и резистор 3 упомянутого фильтра нижних частот - ключ - второй узел упомянутого моста - диод Д3 упомянутого моста - нейтральная точка, при этом частотный диапазон токов определяется математическим выражением

13 Гц ≤f_o≤23 кГц,

где Im_o - амплитуда сигнала io(t);

ω_o - угловая частота ω_о=2πf_o;

- период частоты f_o.