Устройство для передачи сигналов по проводам силовой сети

Полезная модель относится к электротехнике и может найти применение для образования в сетях до 400 В канала связи на тональных частотах, в частности на дачных участках, гаражах и торговых точках, где нет телефонной и радиосвязи. Полезная модель решает задачу схемного упрощения устройства, а также увеличения возможностей ее применения независимо от наличия конкретной фазы (А, В, С) у пользователей (передающего и принимающего абонентов), что достигается подключением конденсатора 6 к первому выводу передающего блока 2 и к нулевому рабочему проводнику N. Передающий блок 2, состоящий из последовательно соединенных катушки индуктивности 4 и конденсатора 3, который зашунтирован анодом и катодом первого тринистора 7, катодом и анодом второго тринистора 8, управляющие электроды которых через разделительный трансформатор 9 соединены с управляющим ключом 10, подключается к любой из фаз силового трансформатора 1 и к местному заземлению РЕ. При этом приемный блок 11 подключается к местному заземлению РЕ и к рабочему нулевому проводнику N.

Полезная модель относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи по линии электропередачи на тональных частотах без их высокочастотной обработки.

Известны системы передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, которая содержит передатчик пассивно-активного типа (Пат. РФ №2212760, МКИ Н 04 В 3/54, "Система передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети" опубл. 20.09.2003 - [1]). Эта система имеет ряд преимуществ перед ранее опубликованными, но имеет сложность схемной реализации.

Согласно ГОСТ Р 50669-94 (УЗО - устройства защитного отключения. Учебно-справочное пособие. М.: ЗАО "Энергосервис", 2004. 232 с. - [2]) разрешено в торговле и для бытового обслуживания населения применять систему заземления ТТ по первому варианту. В этой системе имеется три фазных провода и нулевой рабочий провод N, и до штепсельных розеток (потребителя) доводится фазный провод и нулевой N, а в качестве нулевого защитного проводника РЕ можно применять местное заземление.

Для частных случаев систем заземления (как это допускается в вышеупомянутом ГОСТе) можно использовать более упрощенные устройства для передачи сигналов.

Наиболее близким, к заявленной полезной модели, является устройство

(Пат. РФ №2122285, МКИ Н 04В 3/54 "Устройство для передачи сигналов по трехфазной линии электропередачи низкого напряжения", опубл. 20.11.98 - [3]), принятое за прототип.

Устройство содержит передающий блок, состоящий из катушки индуктивности, конденсатора, выпрямительного диодного моста, ключа, сетевого трансформатора, а также конденсаторную батарею и приемный блок.

К недостаткам этого устройства можно отнести потребность в конденсаторной батарее, состоящей из трех конденсаторов большой емкости, а также использование ключа с большим допустимым напряжением.

Согласно принципа работы устройства, мгновенное значение напряжения на ключе может быть более В (амплитудное фазное напряжение).

Полезная модель решает задачу схемного упрощения устройства, а также увеличения возможностей ее применения независимо от наличия конкретной фазы (А, В, С) у пользователей (передающего и принимающего абонентов).

Поставленная задача решается тем, что в устройство для передачи сигналов по проводам силовой сети, содержащем управляющий ключ, сетевой трансформатор, первые выводы вторичных обмоток которого соединены в общую точку с образованием нулевого рабочего проводника, соединенного с "землей", второй вывод одной из обмоток сетевого трансформатора соединен с последовательно соединенными катушкой индуктивности и с первым выводом первого конденсатора, и конденсаторную батарею, дополнительно введены два тринистора и разделительный трансформатор. При этом первый

конденсатор зашунтирован анодом и катодом первого тринистора, катодом и анодом второго тринистора, управляющие электроды которых подключены к первичной обмотке разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена к управляющему ключу, второй вывод первого конденсатора соединен с местным заземлением с образованием нулевого защитного проводника, к которому подключен приемный блок, второй вывод которого подключен к нулевому рабочему проводнику, к которому подключен первый вывод конденсаторной батареи, второй вывод которой соединен с первым выводом катушки индуктивности.

Полная электрическая схема предложенного устройства представлена на фиг.1, а на фиг.2 схема замещения. На фиг.3 представлена схема замещения устройства при работе с приемником, расположенном в другом здании и имеющим другое местное заземление Z _PE2.

В схемах замещения отсутствуют сопротивления сетевых обмоток трансформатора, так как они на частоте ₀ гораздо больше сопротивления |1/₀С₆, где С ₆ - емкость конденсаторной батареи 6; ₀ - круговая частота резонанса, частота передача сигнала.

Здесь:

1 - вторичные обмотки сетевого трехфазного трансформатора, первые выводы которых соединены в общую точку N с образованием нулевого рабочего проводника, соединенного с "землей";

2 - передающий блок;

3 - первый конденсатор;

4 - катушка индуктивности;

5 - местное заземление, образующее нулевой защитный проводник РЕ, к которому подсоединяются корпуса устройств и электроустановок;

6 - конденсаторная батарея;

7, 8 - тринисторы;

9 - разделительный трансформатор;

10 - ключ;

11 - приемный блок.

На фиг.2 и фиг.3 точкой "О" обозначена "земля", потенциал которой принимается за нуль.

Конденсаторная батарея подключается на стороне передающего блока 2.

Принцип работы предложенного устройства аналогичен принципу работы прототипа [3].

Ключ 10 замкнут в промежутке времени ₁, где 0₁Т₀/4, Т₀ - период замыкания (размыкания) ключа 10.

При замкнутом ключе 10 эквивалентное сопротивление первичной обмотки разделительного трансформатора уменьшается, в результате чего открывается один из тринисторов (7, 8), так как тринисторы (анод-катод) всегда находятся под напряжением, равным напряжению на конденсаторе 3 (Ладыка А. Безопасное управление тринисторами // Радио. 2005, №2. с.33 - [4]).

Через тринистор потечет ток, мгновенное значение которого равно

где U - мгновенное значение фазного напряжения; R - суммарное активное сопротивление обмотки фазы А трансформатора 1, катушки индуктивности 4, тринистора (7, 8) и суммы сопротивлений заземлений Z_N0+Z_PE1 ; L - суммарная индуктивность обмотки фазы А трансформатора 6 и катушки индуктивности 4.

Ключ 10 разомкнут в промежутке времени ₂, где Т₀/4₂,Т₀. При разомкнутом ключе 10 индуктивное сопротивление первичной обмотки разделительного трансформатора 9 велико и ток через нее недостаточен для открывания тринисторов.

Если пренебречь экспоненциальным нарастанием тока согласно (1) через конденсатор 3 и катушку индуктивности 4 будет проходить ток сигнала за счет накопленной энергии в катушке индуктивности 4, мгновенное значение которого равно

где I_M - амплитудное значение тока; ₀ - частота.

Значения индуктивности L₄ и емкости С₃ конденсатора 3 выбираются из условия

Приемный блок 11 является приемником тока, т.е. имеет малое входное сопротивление Z_ПР1 на частоте сигнала ₀ по отношению к реактивному

сопротивлению нагрузок Х_H, подключенных к сети (на фиг.1 не показаны), т.е. выполняется условие

Z_ПР1<Х_H.

Считаем, что активное сопротивление нагрузок гораздо меньше Х _H.

Полоса пропускания f приемного блока 11 выбирается из известного соотношения

где - длительность радиоимпульса.

Значение выбирается из заданной скорости передачи сигналов n [3]

Как показано в [3], частота сигнала в линиях с напряжением 400 В может составлять 8-10 кГц.

Согласно формулы полезной модели, приемный блок 11 подключается к местному заземлению РЕ и к нулевому рабочему проводу сети N, но можно (это будет лучше) к фазному проводу, если он совпадает с фазой, к которой подключен передающий блок.

Согласно схемы замещения (фиг.2), применяя метод двух узлов, найдем величину тока в приемном блоке 11

где

С₃ - емкость конденсатора 3.

Для оценки величины сигнала I_ПР1 в приемном блоке 11 для предложенного устройства, найдем величину сигнала I_ПР1Ф в приемном блоке для случая, если бы он был присоединен к той же фазе, что и передающий блок (а именно к фазе А). В этом случае в схеме замещения (фиг.2) необходимо считать Z_N0=; Х_С=0; Z_РE1 =.

Тогда ток в приемном блоке 11 был бы равен

Взяв отношение выражений (4) и (6), можно найти отношение сигналов

Как было оговорено выше, величина Z _ПР1 мала, и если считать, что Z_ПР10, а также Х_С0, то из выражения (7) следует

Таким образом, отношение (7) показывает, что предложенное устройство работоспособно, но величина сигнала в приемном блоке 11 будет немного меньше чем в прототипе.

Теперь рассмотрим случай, когда на приемной стороне имеется свое местное заземление, имеющее величину Z_РE2, что показано на схеме замещения (фиг.3).

Проанализируем схемы замещения по фиг.2 и фиг.3. Ток передающего блока 2 состоит из двух составляющих

i_П=i_ПР+i _ОТ,

где i_ПР ^- ток приемного блока 11, i_ОТ - ток ответвления, проходящий через ветвь с Z_N0 .

Во втором случае (фиг.3) в ветви с приемным блоком 11 сопротивление увеличивается, а в ветви ответвления с Z _N0 уменьшается. Отсюда следует, что ток i _ПР в приемном блоке 11 во втором варианте будет меньше, а ток ответвления i_ОТ больше чем в первом варианте, но вариант работоспособен.

На основании изложенного можно сделать вывод, что предложенные схемы включения устройства всегда работоспособны независимо от того, к какой фазе подключены передающий блок 2 с конденсаторной батареей 6, состоящей из одного конденсатора (в прототипе применено три конденсатора).

При этом приемный блок 11 подключается к нулевому рабочему проводнику N (или к фазному проводу) и к местному заземлению РЕ.

Кроме того, здесь устранен недостаток присущий прототипу, у которого управляющий ключ должен выдерживать большие сетевые напряжения. В предложенном устройстве диодный мост заменен тринисторами (которые являются усилительными элементами). Поэтому через управляющий ключ 10 здесь протекает гораздо меньший ток, чем через диодный мост в прототипе. К тому же управляющий ключ 10 гальванически развязан через разделительный трансформатор 9 от тринисторов (7, 8).

Мощность разделительного трансформатора составляет несколько ватт [4].

Управляющий ключ 10 может быть удален от трансформатора 9 на значительное расстояние.

При достаточной изоляции между обмотками трансформатора 9 достигается электробезопасность пользования управляющим ключом 10.

Как следует из принципа действия устройства по фиг.1, в качестве защитного проводника РЕ может быть использована, например, отопительная система или водопроводная система.

Предложенное устройство может быть использовано в системах заземления ТТ по второму варианту [2] (нейтраль источника заземлена, но нулевого провода N у потребителя нет) и в системах IT (нейтраль источника изолирована от "земли" или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление, а нулевой провод у потребителя отсутствует).

В этих случаях передатчик подключается между местным заземлением (защитным проводником РЕ) и между любой имеющейся фазой, и подключаются два конденсатора С₆' и С₆'' между фазами. А приемник подключается между местным заземлением РЕ и имеющейся фазой на приемной стороне (фиг.4).

Для схемы по фиг.4 можно составить схему замещения, аналогичную фиг.3. Анализ этой новой схемы замещения покажет, что в приемнике ток будет больше, чем в схеме по фиг.3, так как отсутствует ветвь с z_n0, в которую ответвлялся ток передатчика.

Устройство для передачи сигналов по проводам силовой сети, содержащее управляющий ключ, сетевой трансформатор, первые выводы вторичных обмоток которого соединены в общую точку с образованием нулевого рабочего проводника, соединенного с "землей", второй вывод одной из обмоток сетевого трансформатора соединен с последовательно соединенными катушкой индуктивности и с первым выводом первого конденсатора, и конденсаторную батарею, отличающееся тем, что первый конденсатор зашунтирован анодом и катодом первого тринистора, катодом и анодом второго тринистора, управляющие электроды которых подключены к первичной обмотке разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена к управляющему ключу, второй вывод первого конденсатора соединен с местным заземлением с образованием нулевого защитного проводника, к которому подключен приемный блок, второй вывод которого подключен к нулевому рабочему проводнику, к которому подключен первый вывод конденсаторной батареи, второй вывод которой соединен с первым выводом катушки индуктивности.