Устройство передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети

 

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием линий (0,38-10-35-110) кВ без обработки ее высокочастотными заградителями. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости и расширение частотного диапазона с 1 до 3 кГц. В предложенном устройстве используют синхронное детектирование сигналов с применением интегрирования, начало и конец которого определяют характерными точками, которыми являются единые моменты времени перехода общего питающего напряжения через ноль одной из фаз сети в пунктах передачи и приема. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение при организации каналов связи с использованием линий /0,38 - 10 - 35 - 110/ кВ без обработки их высокочастотными заградителями. Новым техническим результатом является расширение частотного диапазона с 1000 до 3000 Гц при скорости передачи сигналов 50 и 100 Бод, а также повышение помехозащищенности приема сигналов.

В преложенном устройстве используют синхронное детектирование сигналов с применением интегрирования, начало и конец которого определяют характерными точками, которыми являются единые моменты времени перехода через ноль общего питающего напряжения U(t) в пунктах передачи и приема. При этом в качестве гетеродинного напряжения используют кварцованную частоту напряжения сигнала.

Известно устройство передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, который реализован в устройстве по а.с. СССР 1819025, кл. C 08 C 19/12, 1988 г. Недостатком известного устройства является низкая помехозащищенность при приеме сигналов и низкая, не более 10 Бод, скорость передачи сигналов.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, которое реализовано в патенте на изобретение N 2121759, кл. 6 H 04 B 3/54, БИ N 31, 10.11.98 г., принят за прототип.

В известном устройстве напряжение гетеродина образуют из гармоник частоты питающего напряжения F. В связи с тем, что частота F≠50 Гц в аварийных режимах, то гармоники частоты F изменяют свое положение на частотной оси и отфильтровывать в фиксированной полосе частот частоту гетеродина при больших индексах гармоник частоты F сложно. Поэтому, как показала практика, необходимо ограничиваться сверху 20-й гармоникой /1000 Гц /, что сужает частотный диапазон. Заявленное устройство решает задачу увеличения частотного диапазона до 3 кГц, так как в качестве частоты гетеродина используют кварцованную частоту сигнала. Усиление неравенства в прототипе с на в заявленном устройстве позволит улучшить отношение сигнал/помеха. Так, в прототипе при скорости передачи сигналов 100 Бод, где и при максимальной частоте запуска передатчика f₀≈f₂=1000 Гц неравенство будет иметь вид: или 0,01 >> 0,001, т.е. левая часть неравенства будет больше в 10 раз. Это значит, что за период интегрирования Т уложится 10 периодов напряжения частоты сигнала /помехи/.

В заявленном устройстве например, при n = 3 и f₀=1000 Гц, неравенство будет иметь вид: С учетом того, что f_Σ= f₁+f₂= 2f₀, неравенство примет вид: или т.е. левая часть неравенства будет больше в 160 раз. Это значит, что за период интегрирования Т уложится 160 периодов напряжения частоты сигнала /помехи/. Известно, что математическое ожидание М амплитуды помехи U_п(t), которая флуктуирует около нуля, описывают выражением: M[U_п(t)]--->0 при знаменателе в правой части неравенства _→ ∞. Таким образом, чем лучше выполняют неравенство, тем выше будет отношение сигнал/помеха после обработки сигнала в интеграторе. При увеличении частотного диапазона до 3 кГц неравенство еще "усилят" в три раза.

В заявленном устройстве передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети в пункте передачи преобразуют питающее напряжение U(t) промышленной частоты F в ток сигнала обратной последовательности на частоте f₁ и ток сигнала прямой последовательности на частоте f₂, где f₂-f₁= 2F, передают эти токи по трехфазной электрической сети в пункт приема, преобразуют в напряжения , преобразуют эти напряжения путем фильтрации соответственно в напряжения и где ω₁= 2πf₁; ω₂= 2πf₂ в узкой полосе пропускания частот, перемножают U₁(t) и U₂(t) выделяют путем фильтрации напряжение суммарной частоты где ω_Σ= 2πf_Σ, f_Σ= f₁+f₂= 2f₀, f₀ - частота запуска передатчика, преобразуют напряжение U_Σ(t) в напряжение путем n-кратного умножения и n-кратной фильтрации, где n= 1, 2, 3, 4, ..., умножают U_Σn(t) на U_Σn(t), из полученного напряжения выделяют путем фильтрации постоянную составляющую U_c, интегрируют U_c в интервале Т, где при скорости передачи сигналов 50 Бод и при скорости передачи сигналов 100 Бод, выполняют неравенство при этом начало и конец интервалов передачи сигналов и интегрирования соответствуют единым моментам времени перехода общего питающего напряжения U(t) через ноль в пунктах передачи и приема.

Устройство /см. чертеж/, реализующее заявленный способ, содержит в пункте передачи синхронизатор 1 характерных точек /синхронизатор/, передатчик 2 пассивно-активного типа /передатчик/, трехфазную электрическую сеть 3 /сеть/, фильтр напряжения симметричных составляющих /ФСС/ обратной последовательности 4, ФСС прямой последовательности 5, узкополосный фильтр 6 /УПФ/ частоты f₁, УПФ 7 частоты f₂, умножитель 8, УПФ 9 частоты f_Σ= f₁+f₂, первый 10, второй 11, ...... n-й 12 преобразователя частоты /преобразователь/, умножитель 13, фильтр нижних частот /ФНЧ/ 14, интегратор 15, синхронизатор 16, фазовращатель 17.

Устройство передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети /сеть/, в которой в пунктах передачи и приема одна из фаз сети 3 подключена соответственно к входам первого 1 и второго 16 синхронизаторов характерных точек /синхронизатор/, выход первого синхронизатора 1 подключен к входу передатчика пассивно-активного типа 2, выход которого подключен к трем фазам сети 3, в пункте приема к трем фазам сети 3 подключены соответственно входы фильтров напряжения симметричных составляющих /ФСС/ обратной последовательности 4 и ФСС прямой последовательности 5, выходы каждого из которых подключены соответственно к входам первого 6 и второго 7 узкополосных фильтров /УПФ/, выходы каждого из которых соответственно подключены к первому и второму входам первого умножителя 8, выход второго синхронизатора 16 подключен к входу фазовращателя 17, выход которого подключен ко второму входу интегратора 15, при этом выход первого умножителя 8 подключен к входу третьего УПФ 9, выход которого подключен к входу первого преобразователя 10, выход которого подключен к входу второго преобразователя 11 ........ , выход которого подключен к входу n-го преобразователя 12, выход которого подключен к объединенным входам второго умножителя 13, выход которого подключен к входу ФНЧ 14, выход которого подключен к первому входу интегратора 15.

Работает устройство следующим образом.

Синхронизатор 1 формирует в пункте передачи импульсы в единые моменты времени перехода питающего напряжения U(t) частоты F через ноль. Начало и конец передачи сигнала совпадают с едиными моментами времени перехода питающего напряжения U(t) частоты F через ноль в пунктах передачи и приема. При работе передатчика 2 в его фазных проводах A, B, C образуют следующие токи сигналов по аналогии с прототипом мгновенные значения которых описывают выражениями: где I_m - амплитудное значение токов на частотах ω₁ и ω₂, ω₁= (ω₀-Ω) и ω₂= (ω₀+Ω); ω₀= 2πf₀; Ω = 2πF; f₁=f₀-F; f₂=f₀+F; f₀ - частота запуска передатчика.

Эти токи образуют на входах ФСС 4 и ФСС 5 трехфазные напряжения обратной и прямой последовательностей мгновенные значения которых описывают выражениями: где U_A, U_B, U_C - фазные напряжения сигнала, Из выражения /2/ следует, что на частоте ω₁ имеют напряжения обратного чередования фаз A, C, B, на частоте ω₂ - прямого чередования фаз, A, B, C. Напряжение сигнала обратной последовательности на частоте ω₁ принимает ФСС 4. Напряжение сигнала прямой последовательности на частоте ω₂ принимает ФСС 5. Выражение мгновенных значений напряжений сигнала на соответствующих выходах ФСС 4 и ФСС 5 имеют вид: В связи с тем, что в качестве напряжения гетеродина используют напряжение сигнала кварцованной частоты, фазовые сдвиги опускаем. Эти напряжения получены в широкой полосе ФСС 4 и ФСС 5, их соответственно подают на УПФ 6 и УПФ 7. На выходе УПФ 6 имеют напряжение U₁(t), на выходе УПФ 7 - U₂(t).

В умножителе 8 перемножают U₁(t) и U₂(t), в результате получают напряжения разностной и суммарной частот

В прототипе выделяют разностную частоту, в заявленном устройстве выделяют суммарную частоту с помощью УПФ 9.

где ω_Σ= 2πf_Σ, f_Σ= f₁+f₂= 2f₀.
Напряжение U_Σ(t) подают на вход первого преобразователя 10. Преобразователь состоит из умножителя 10¹ , который своими объединенными входами подключен к выходу УПФ 9, а выход умножителя 10¹ подключен к входу УПФ 10², выход которого является выходом преобразователя 10, который подключен к входу второго преобразователя 11. Так как работа преобразователей идентична, рассмотрим работу первого, второго и n-го преобразователей.

На выходе умножителя 10¹ по аналогии с /7/, имеют напряжения разностной и суммарной частот:

Выделяют с помощью узкополосного фильтра 10² напряжение суммарной частоты, которое будет выходным для преобразователя 10 и входным для второго преобразователя 11.

По аналогии с /10/ напряжение на выходе второго преобразователя 11 будет равно:

Напряжение на выходе n-го преобразователя будет равно:

Таким образом каждый последующий преобразователь дает напряжение с двойной частотой. Путем n-кратного умножения и n-кратной фильтрации получают нужное значение частоты 2ⁿ·ω_Σ. Напряжение U_Σn(t) с выхода n-го преобразователя 12 подают на умножитель 13, имеющий объединенные входы. С выхода умножителя 13 имеют напряжения с разностной и суммарной частотами:

С помощью ФНЧ 14 выделяют напряжения разностной частоты, т.е. напряжение постоянной составляющей U_c.

U_c будет являться амплитудой /огибающей/ сигнала. U_c подают на первый вход интегратора 15, на второй вход которого подают импульсы синхронизатора 16 через фазовращатель 17, с помощью которого совмещают единые моменты времени начала и конца интервала интегрирования Т с началом и концом передачи сигнала. Выход интегратора 15 является информационным.

Таким образом мы доказали, что в заявленном устройстве имеют:
1. Диапазон рабочих частот в тональном диапазоне увеличен с 1 до 3 кГц и выбор частоты запуска передатчика f₀ не зависит от нестабильности частоты F питающего напряжения U(t).

2. Помехозащищенность в заявленном устройстве повышена за счет выполнения более "жесткого" неравенства где n выбирают в зависимости от технических требований получения заданного отношения сигнал/помеха на информационном выходе интегратора 15.0

Формула изобретения

Устройство передачи и приема сигналов в трехфазной электрической сети, в котором в пункте передачи одна из фаз сети подключена к входам первого синхронизатора, выход которого подключен к входу передатчика пассивно-активного типа, выход которого подключен к трем фазам сети, в пункте приема вход второго синхронизатора подключен к одной из фаз сети, к трем фазам сети подключены соответственно входы фильтра напряжения, преобразованного из тока сигнала обратной последовательности, и фильтра напряжения, преобразованного из тока сигнала прямой последовательности, выходы каждого из которых подключены соответственно к входам первого и второго узкополосных фильтров, выходы каждого из которых соответственно подключены к первому и второму входам первого умножителя, выход второго синхронизатора подключен к входу фазовращателя, выход которого подключен ко второму входу интегратора, третий узкополосный фильтр, второй умножитель, фильтр нижних частот, отличающееся тем, что в него введены n преобразователей частоты, выход первого умножителя подключен к входу третьего узкополосного фильтра, выход которого подключен к входу первого преобразователя частоты, выход n-го преобразователя частоты подключен к объединенным входам второго умножителя, выход которого подключен к входу фильтра нижних частот, выход которого подключен к первому входу интегратора, а каждый последующий преобразователь частоты соединен с предыдущим преобразователем частоты, а преобразователи частоты выполнены с возможностью умножения и фильтрации напряжения суммарной частоты U_Σ(t) с получением значения частоты 2ⁿω_Σ, где ω_Σ= 2πf_Σ, f_Σ= f₁+f₂, f₁ и f₂ - частоты тока сигналов соответственно обратной и прямой последовательности, преобразованных из питающего напряжения промышленной частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1