低壓電力線載波通信耦合電路的分析與設(shè)計(jì)

1、2008年12月第9卷第4期包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)低壓電力線載波通信耦合電路的分析與設(shè)計(jì)閆瑞1付雪梅2(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院1.電氣工程系;2.,)摘要:在利用低壓電力線實(shí)現(xiàn)載波通信時(shí),:既要求載波信號具有較高的傳輸效率;z的干擾最小;“電容隔離降壓”“、電磁互感耦合”與“LC諧振式濾波”,。關(guān)鍵詞:;分析設(shè)計(jì)AnalysisandDesignofCouplingCircuitofLowVoltagePowerLineCarrierCommunicationYanRui1FuXuemei2(1.ElectricEngineeringDepartment;Keywords:lowvoltagepowe

2、rline;carriercommunication;couplingcircuit;analysisanddesign0引言態(tài)的,而不是恒定的。而電力線負(fù)載的開關(guān)、負(fù)載大小變化會(huì)引起電流的劇烈波動(dòng),導(dǎo)致電力線周圍產(chǎn)生電磁輻射。所有這些,必然使低壓電力線路工作環(huán)境非常惡劣,勢必會(huì)造成對載波通訊信號的傳輸困難和嚴(yán)重干擾。因此,低壓電力線通信必須首先解決好信號的耦合問題。1耦合電路的分析與設(shè)計(jì)電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的通信方式,它是利用現(xiàn)有電力線,通過載波方式高速傳輸模擬或數(shù)字信號的技術(shù)。而低壓電力線載波技術(shù)是通過低壓220V/50Hz交流線路實(shí)現(xiàn)的雙向通訊,是一種不需要線路投資的有線通信方式

3、。經(jīng)過近幾年的發(fā)展,低壓電力載波通訊的可靠性獲得很大的進(jìn)步,實(shí)用性也越來越高,已經(jīng)在諸多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。低壓電力線上所接負(fù)載的種類繁多五花八門,也就是說線路上的各種參數(shù),諸如分布電容、分布電感、負(fù)載性質(zhì)、負(fù)載阻抗值大小、噪聲干擾等都是動(dòng)所謂耦合電路就是低壓電力線路與載波信號發(fā)送、載波信號接收電路之間信號連接方式的電路,通過耦合電路來實(shí)現(xiàn)信號的交鏈。根據(jù)信號種類和電路環(huán)境,采用正確的耦合方式對信號的正常傳輸將收稿日期:2008-10-14作者簡介:閆瑞(1955-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特市人,高級實(shí)驗(yàn)師,主要從事實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)工作。5閆瑞等:低壓電力線載波通信耦合電路的分析與設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要的作用。

4、1.1載波發(fā)送端耦合電路本系統(tǒng)的信號發(fā)送端電路見圖1,三極管V1、變壓器T1的原邊線圈(設(shè)為L2)和C3、C4組成單調(diào)諧功率放大電路。諧振時(shí),串聯(lián)回路阻抗Z最小且為Z=r,因?yàn)樗?lián)在電路中,頻率為120kHz的載波信號極易通過,而對其它頻率的信號或噪聲阻抗則很大。其阻抗為)。式中:r為L1的直流內(nèi)阻。Z=r+j(2fL-2fC可見,電容器C1和電感器L1。此外,電容C1,以減小變1,同時(shí)也可以防止變C1的選擇應(yīng)考慮具有足夠高的1.2載波接收端耦合電路由發(fā)送機(jī)發(fā)送的載波信號經(jīng)由低壓電力線傳送到接收端,再由耦合電路交鏈到接收機(jī)。載波接收圖1這里諧振變壓器T1有著雙重作用:一方面,通過變壓器耦合載

5、波信號;另一方面,使通信電路與工頻交流強(qiáng)電隔離。T1采用帶有抽頭的變壓器,以減小由于V1的接入而使由C3、C4跟T1原邊線圈組成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的Q值降低甚至停振。前級輸出的高頻載波小信號經(jīng)由三極管V1及外圍元件組成的單調(diào)諧功率放大器進(jìn)行選頻功率放大后,載波信號的輸出功率能夠提高近10倍左右。通過調(diào)整C4的大小可微調(diào)網(wǎng)絡(luò)振蕩頻率。本系統(tǒng)選取載波中心頻率為120kHz,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)回路的固有振蕩頻率f0=為120kHz時(shí),回路諧()22C3+C4振阻抗為最大且為純電阻Z=R0=;回路兩端的g0電壓值也為最大值U0=。諧振電壓U0經(jīng)變壓器g0T1的副邊線圈將其耦合到低壓電力線上,同時(shí)變壓器T1將電力線與載

6、波發(fā)送電路相隔離。為防止電路自激,在V1發(fā)射極接入電阻R2,此電阻不能太大否則將影響發(fā)送功率。本系統(tǒng)取值1。為了將載波信號以較高的效率傳輸?shù)降蛪弘娏€上。需要濾除摻雜在載波信號中的噪聲和偽信號。通常,發(fā)送信號的二次諧波和三次諧波(本系統(tǒng)的二次諧波和三次諧波分別為240kHz和360kHz)對電網(wǎng)的噪聲污染比較大,所以有必要對載波信號進(jìn)行濾波整形。設(shè)置由L1、C1組成的串聯(lián)諧振式帶通濾波器,設(shè)定其振蕩頻率f0=也為12C1120kHz。當(dāng)發(fā)送的載波信號對L1、C1振蕩網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)6端耦合電路見圖2。圖2載波接收端耦合電路對于接收端的耦合電路,選用無源濾波器要優(yōu)于有源濾波器,這是因?yàn)橛性礊V波器會(huì)產(chǎn)生一

7、個(gè)與接收信號相當(dāng)?shù)陌自肼?。本系統(tǒng)選用無源帶通濾波器(由C11、C12和L10組成),采用并聯(lián)諧振回路形式。并聯(lián)回路的中心頻率由電容器C11、C12和電感L10的,本系10(C11+C12)2H時(shí),統(tǒng)設(shè)計(jì)值為120kHz。經(jīng)計(jì)算當(dāng)選取L10=68則對應(yīng)(C11+C12)=25.86nF,不過這里的C11須由數(shù)值決定,中心頻率f0=幾個(gè)電容并聯(lián)組合后才能取得該值。載波耦合部分由變壓器T2、電容器C10和電感器L9組成。變壓器T2選用1:1的隔離變壓器。電容C10將變壓器與工頻交流強(qiáng)電隔離,使通信電路能完全地隔離電力網(wǎng)工頻信號。這樣就會(huì)阻止低頻信號進(jìn)入電路而能使某些高頻信號通過。萬一電容器C10因短

8、路而失去過濾50Hz工頻信號的能力,接口電路就會(huì)被損壞。故C10要選用具有短路保護(hù)功能的X2型電容器。并聯(lián)在C10兩端的電阻R10是一個(gè)泄荷電阻,其作用是在設(shè)備離線時(shí)給電容C10放電提供通道,防止在設(shè)備輸入端出現(xiàn)高壓。此電阻取值閆瑞等:低壓電力線載波通信耦合電路的分析與設(shè)計(jì)。可稍大些,本設(shè)計(jì)中取1M電容器C10和電感器L9還組成帶通濾波器,其作用一方面可將來自電力線上的其它干擾噪聲、帶外雜波濾除,另一方面保證前后級之間的阻抗匹配,以達(dá)到順利傳遞載波信號的目的。1.3接口保護(hù)電路地線、零線與地線間的干擾為共模干擾。若采用一個(gè)雙向穩(wěn)壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號不起作用,當(dāng)出現(xiàn)共模尖峰

9、信號時(shí)就會(huì)對電路造成損壞。本系統(tǒng)采用3個(gè)二極管D7、D8和D9連成星形結(jié)構(gòu),如圖2所示。對于差模尖峰信號,D7和D8構(gòu)成一個(gè)雙向穩(wěn)壓管;,這。2D10、D11組成了雙向,。R11、R12是并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的隔離電阻,這里取27k2結(jié)論電力線上的所有設(shè)備接入或者是斷開,都有可能引起尖峰脈沖,并導(dǎo)致收發(fā)電路的永久性損壞。同時(shí)系統(tǒng)可能受到諸如強(qiáng)雷電脈沖等瞬時(shí)過電壓的干擾,力線的接口耦合電路中,電路中,TVS作用,當(dāng)設(shè)備剛剛接上電源時(shí),此時(shí)電容上的電壓為0V,則會(huì)有300V以上的高壓直接加在變壓器兩端,將引起很大的電流,從而在次級產(chǎn)生尖峰脈沖。這個(gè)脈沖的電流相當(dāng)大,可達(dá)幾十安培到上百安培,采用一般的穩(wěn)壓管無法消除這個(gè)脈沖,壓敏電阻的響應(yīng)又比較緩慢,在出現(xiàn)脈沖的s之內(nèi)仍然有幾十伏的電壓,足以燒壞放大電路。1耦合電路是載波信號的輸出和輸入通路,本系統(tǒng)采用“電容隔離降壓”、“電磁互感耦合”、“LC諧振式濾波”等電路耦合形式和多種保護(hù)電路,經(jīng)理論計(jì)算和項(xiàng)目系統(tǒng)實(shí)際使用證明:該組合形式的耦合電路具有高的載波信號傳輸效率,又具有可靠地隔離工頻交流的能力。加之LC諧振式濾波具有選頻調(diào)