MODELE DE CIRCUIT PENTRU REŢEAUA DE JOASĂ TENSIUNE UTILIZATE PENTRU TRANSMISIA DE SEMNALE

Transcription

1 MODELE DE CIRCUIT PENTRU REŢEAUA DE JOAĂ TENIUNE UTILIZATE PENTRU TRANMIIA DE EMNALE ALEXANDRU-IONUŢ CHIUŢĂ 1, MIHAI-OCTAVIAN POPECU 2 Key words: circuit model, low voltage network, transmission line, powerline communications, signal tramsmission În această lucrare sunt prezentate câteva modele pentru circuitele reţelei electrice de joasă tensiune, pentru gama de frecvenţe 100 khz - 30 MHz. Modelele sunt adaptate pentru studiul transmisiei de semnale prin reţeaua electrică de joasă tensiune. In this paper are presented some models of the low voltage network circuits, for the frequency band 100 khz - 30 MHz. The models are adapted for the study of the signal transmission in the low voltage electrical network. 1. INTRODUCERE Pentru a studia circuitele reţelei electrice de joasă tensiune, atunci când sunt utilizate pentru transmisia de semnale cu frecvenţe între 100 khz şi 30 MHz, se poate folosi teoria liniilor de transmisie. Această alegere este motivată şi de faptul că efectele liniei de transmisie sunt mai evidente pentru frecvenţe înalte. În plus, este importantă şi înţelegerea fenomenelor fizice pentru a realiza modele de circuite. Linia de transmisie este alcătuită dintr-un set de conductori care sunt folosiţi pentru transmiterea de semnale electrice. Putem considera că liniile sunt uniforme, adică materialele din care sunt alcătuite au caracteristicile electrice constante şi geometria lor este uniformă, adică forma, dimensiunea conductorilor şi distanţa dintre aceştia este constantă. Pentru transmisia de semnale este important să considerăm lăţimea de bandă utilă, care pe de o parte se îngustează o dată cu creşterea distanţelor, iar pe de altă parte depinde de gradul de ramificare a reţelei electrice. În opoziţie cu cablurile îngropate, liniile aeriene prezintă o atenuare scăzută datorită lipsei pierderilor prin dielectric. În cadrul reţelelor electrice de joasă tensiune se întâlnesc mai multe tipuri de cabluri şi este posibilă prezenţa neadaptării atât la capetele liniei cât şi în punctele de ramificare. Prin urmare, trebuie luată în calcul propagarea cu căi multiple cu varietate de ecouri, conducând la o atenuare considerabilă, selectivă în funcţie de frecvenţă. 1 ) Universitatea Politehnica din Bucureşti, Facultatea de Energetică, erg@energ.pub.ro 2 ) Universitatea Politehnica din Bucureşti, Facultatea de Electrotehnică, pompoc@apel.apar.pub.ro

2 Alexandru-Ionuţ Chiuţă, Mihai-Octavian Popescu 2 2. MODELE DE CIRCUIT Cel mai simplu model pentru linia de transmisie este cel care foloseşte o pereche de conductori paraleli care fac legătura dintre o sursă şi o sarcină (fig. 1). U R A AR CI NA Fig. 1 Modelul unui circuit de joasă tensiune ca o linie de transmisie cu o pereche de fire ideale În acest caz, conductorii sunt consideraţi ideali şi tensiunea este aceeaşi de-a lungul conductorilor. În realitate, această situaţie nu este întâlnită niciodată. Orice fir sau cablu electric are o rezistenţă serie (notată cu R) şi o inductanţă (notată cu L). În plus, între fiecare pereche de conductori există o capacitate (notată cu C) şi pentru toţi dielectricii avem o conductanţă (notată cu G) între cei doi conductori. Astfel se poate modela linia de transmisie folosind un circuit alcătuit dintr-o serie infinită de elemente infinitezimale R, L, C şi G (fig. 2), care au valori exprimate în unitate pe metru. U R A AR CI NA Fig. 2 Modelul circuitului care ia în considerare caracteristicile neideale pentri firele reale Pentru simplificarea modelului se pot neglija valorile rezistenţelor obţinînd un circuit LC (fig. 3): 1/ 2 R + L Z 0 = G + C L Z 0 = C 1/ 2 Fig. 3 Aproximarea de ordinul întâi pentru reprezentarea circuitului

3 3 Modele de circuit pentru reţeaua de joasă tensiune utilizate pentru transmisia de semnale Astfel, obţinem o linie de transmisie fără pierderi (fig. 4). Este important de reţinut că în acest caz putem avea potenţiale diferite în punctele A şi B. iar semnalul transmis de la sursă încarcă sau descarcă inductanţa sau capacitanţa liniei. Astfel, semnalul înjectat în puctul A ajunge cu o întârziere în punctul B. Impedanţa în punctele A şi B, precum şi în fiecare nod intermediar depinde de impedanţa sursei şi a sarcinii, dar şi de valorile LC ale liniei de transmisie. U R A AR CI NA Fig. 4 Modelul circuitului de joasă tensiune fără pierderi Pentru frecvenţe joase, perechile LC introduc o întârziere neglijabilă pentru semnal şi impedanţă, modelul simplificîndu-se la o simplă pereche de fire ideale (fig. 1). Pentru frecvenţe înalte, efectul LC este important şi nu trebuie neglijat. Un semnal care se propagă de-a lungul liniei de transmisie are undele de curent şi de tensiune dependente de impedanţa caracteristică a liniei. Orice semnal are o întârziere asociată, iar reflexiile semnalului se produc atunci cînd sunt zone cu impedanţă diferită. Datorită faptului că există pierderile ohmice datorate rezistenţelor şi scăpările datorate conductivităţii, cablurile prezintă în general o atenuare constantă care creşte odată cu frecvenţa (fig. 5). Fig. 5 Exemplu de calcul pentru atenuarea semnalului transmis [2]

4 Alexandru-Ionuţ Chiuţă, Mihai-Octavian Popescu 4 3. TRUCTURA REŢELELOR ELECTRICE DE DITRIBUŢIE DE JOAĂ TENIUNE Datorită faptului că structura reţelelor electrice de distribuţie de joasă tensiune diferă de la regiune la alta, este de dorit de a se trece în revistă, deosebit de succint, o serie de elemente caracteristice acestor linii, aşa cum este oglindită în literatura de specialitate, pentru a avea o imagine de ansamblu asupra modului cum această problemă este abordată la nivel mondial. În majoritatea ţărilor europene toate cele 3 faze împreună cu neutrul sunt aduse până la panoul de distribuţie al consumatorului [1]. Astfel, cablurile de joasă tensiune (JT) includ 4 conductoare (fig. 6). O astfel de configuraţie permite transmisia între două faze a semnalelor injectate, fapt care constituie un avantaj din punct de vedere al respectării CEM. Fig.6 - Reţeaua europeană de distribuţie de joasă tensiune cu inductanţele şi sarcinile transformatorului În incinta clădirilor, semnalele sunt injectate între fază şi neutru deoarece nu toate clădirile sunt echipate cu conductor de protecţie legat la pământ. Dacă există disponibil un conductor de protecţie legat la pământ, el este scurtcircuitat de conductorul de neutru la punctul de conexiune ce serveşte clădirea. Astfel, fără modificarea structurii reţelei de alimentare cu energie electrică este imposibilă utilizarea neutrului şi a pământului de protecţie drept conductoare de semnal în incinta clădirii. Reţeaua de distribuţie a Marii Britanii diferă parţial de cea a Europei continentale. se referă la profilul cablurilor. În timp ce pe continentul European majoritatea cablurilor conţin patru sectoare, în Marea Britanie se găsesc în special înfăşurări concentrice. Conductoarele celor trei faze au fie o secţiune transversală concentrică fie fiecare fază umple un sector de 120, în cadrul unei mante. O caracteristică a reţelelor de distribuţie din.u.a. este aceea că 80 % din liniile de energie electrică sunt aeriene. În zonele urbane majoritatea cablurilor sunt subterane. Lungimea unui circuit secundar (pe partea de JT) este în mod uzual mai mică de 300 m, cu 1 10 consumatori pe un transformator. Caracteristic zonelor

5 5 Modele de circuit pentru reţeaua de joasă tensiune utilizate pentru transmisia de semnale rezidenţiale este faptul că toţi consumatorii primesc energie electrică pe trei conductoare, furnizând 2 x 120 V sau 240 V. MT JT Fig. 7 istemul UA de distribuţie a fazelor de joasă tensiune (JT), conţinând un transformator de MT/JT şi sarcinile/încărcările aferente arcinile sau încărcările standard sunt conectate la alimentările de 120 V, în timp ce sarcinile mari (ca de exemplu boilerele) utilizează 240 V. Aplicaţiile care presupun transmiterea de semnale prin reţeaua electrică de joasă tensiune din interiorul cladirilor sunt similare cu cele din Europa: semnalele sunt injectate între o fază şi neutru pe partea de 120 V. tructura reţelelor de distribuţie din Japonia este foarte asemănătoare cu cea din.u.a. Peste 90 % din reţeaua de energie electrică a Japoniei este realizată prin conductoare aeriene, în general cabluri. Apartamentele de suprafaţă medie sau mare au propriile lor transformatoare de MT/JT în cadrul clădirii respective. Lungimea tipică a unui circuit este de m. Dintr-un transformator sunt alimentate până la 30 de case. CONCLUZII Cablurile care alcătuiesc reţeaua electrică de joasă tensiune au fost dimensionate exlusiv pentru distribuţia energiei electrice şi au pierderi de putere reduse la frecvenţele de 50 Hz şi 60 Hz. Atunci când încercăm să le utilizăm pentru transmiterea de semnale cu frecvenţe între 100 khz şi 30 MHz, cablurile de energie electrică devin radiante, ceea ce înseamnă că o parte din puterea semnalului de înaltă frecvenţă se emite sub forma unei radiaţii electromagnetice. Prin urmare, cablurile de energie pot fi considerate antene lineare cu o eficienţă scăzută.

6 Alexandru-Ionuţ Chiuţă, Mihai-Octavian Popescu 6 BIBLIOGRAFIE 1. Gebhardt, M., Weinmann, F., Dostert, K., Physical and regulatory constraints for communication over the power supply grid, IEEE Communications Magazine, mai Papp,., Does Powerline Have a Role to Play in the Last Mile? The Business Case for Powerline in the Local Loop, IP Access Networks Conference IBC Londra, iulie Rosenstark,., Transmission Lines in Computer Engineering, McGraw-Hill, Bostoen, T., Van de Wiel, O., Modelling the Low Voltage Power Distribution Network in the Frequency Band from 0.5 MHz to 30 MHz for Broadband Power-line Communications, IEEE Proceedings of Broadband Communications, Zurich, Elveţia, Ahola, J., Lindh, T., Partanen, J., Determination of Properties of Low Voltage Power Cables at Frequency Band 100 khz 30 MHz, ICEM 2002, Bruges, Belgia, august Dostert, K., Powerline Communications, Prentice-Hall, Upper addle River, UA, Chiuţă, Al.I., Popescu, M.O., Consideraţii privind modelarea caracteristicilor de transfer ale reţelei electrice de joasă tensiune, ICEM 2004, Băile Herculane, octombrie 2004.