УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ПО ПРОВОДАМ СИЛОВОЙ СЕТИ

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.
PE2
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.
0
0
6
6
0
В схемах замещения отсутствуют сопротивления сетевых обмоток трансформатора, так как они на частоте ω гораздо больше сопротивления |1/ωС, где С - емкость конденсаторной батареи 6; ω - 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].
1
1
0
0
Ключ 10 замкнут в промежутке времени τ, где 0≤τ≤Т/4, Т - 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
N0
PE1
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+Z; L - суммарная индуктивность обмотки фазы А трансформатора 6 и катушки индуктивности 4.
2
0
2
0
Ключ 10 разомкнут в промежутке времени τ, где Т/4≤τ≤,Т. 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
M
0
где I - амплитудное значение тока; ω - частота.
4
3
Значения индуктивности L и емкости С конденсатора 3 выбираются из условия
ПР1
0
Приемный блок 11 является приемником тока, т.е. имеет малое входное сопротивление Z на частоте сигнала ω по отношению к реактивному
H
сопротивлению нагрузок Х, подключенных к сети (на фиг.1 не показаны), т.е. выполняется условие
ПР1
H
Z≪Х.
H
Считаем, что активное сопротивление нагрузок гораздо меньше Х.
Полоса пропускания Δf приемного блока 11 выбирается из известного соотношения
где τ - длительность радиоимпульса.
Значение τ 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
3
С - емкость конденсатора 3.
ПР1
ПР1Ф
N0
С
РE1
Для оценки величины сигнала I в приемном блоке 11 для предложенного устройства, найдем величину сигнала I 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=∞; Х=0; Z=∞.
Тогда ток в приемном блоке 11 был бы равен
Взяв отношение выражений (4) и (6), можно найти отношение сигналов
ПР1
ПР1
С
Как было оговорено выше, величина Z мала, и если считать, что Z→0, а также Х→0, 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.
РE2
Теперь рассмотрим случай, когда на приемной стороне имеется свое местное заземление, имеющее величину Z, что показано на схеме замещения (фиг.3).
Проанализируем схемы замещения по фиг.2 и фиг.3. Ток передающего блока 2 состоит из двух составляющих
П
ПР
ОТ
i=i+i,
ПР
ОТ
N0
-
где i ток приемного блока 11, i - ток ответвления, проходящий через ветвь с Z.
N0
ПР
ОТ
Во втором случае (фиг.3) в ветви с приемным блоком 11 сопротивление увеличивается, а в ветви ответвления с Z уменьшается. Отсюда следует, что ток i в приемном блоке 11 во втором варианте будет меньше, а ток ответвления i 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).
6
6
В этих случаях передатчик подключается между местным заземлением (защитным проводником РЕ) и между любой имеющейся фазой, и подключаются два конденсатора С' и С'' между фазами. А приемник подключается между местным заземлением РЕ и имеющейся фазой на приемной стороне (фиг.4).
n0
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, в которую ответвлялся ток передатчика.