电子去耦阻抗的制作方法

本发明涉及电子有源阻抗，该电子有源阻抗可用于使电线路上的设备（以下命名为“受害者设备”）与线路本身上或者网络侧上或负载侧上可能出现的阻抗去耦。本发明可适用于在确定的频率范围内不能容忍网络上的阻抗太低的几种设备，例如有源滤波器。一种特殊的应用情况是“智能”电仪表设备的应用情况，它记录电能消耗并通过电源线调制解调器将信息传达给供电商。

背景技术：

能量计量的自动读取在本领域中是已知的，并且依赖于几种数据传输技术。在电仪表中，通常将电源线通信信号注入在相线和零线之间，即以差分模式。信号的幅度可能约为10v峰值或更低，典型频率范围是35khz至500khz。

适用于本发明的电源线通信频带分配如下：

在欧洲35khz至91khz（ceneleca频带的一部分）

在欧洲98khz至122khz（cenelecb频带的一部分）

在日本155khz至403khz（arib频带的一部分）

在美国155khz至487khz（fcc频带的一部分）。

这些设备的问题是信号被在电源线上存在的负载阻抗衰减。当负载阻抗太低（例如低于1欧姆）时，信号会衰减到严重低的水平，并且通信可能会失败。

此外，网络上的负载在信令频带中产生干扰和虚假信号（spurioussignal），这可能导致传输错误。

已知的是，在智能仪表的下游在其和负载之间引入扼流圈网络或另一无源衰减网络，以产生一个电感，在50/60hz处不阻塞电源电流的情况下，该电感限制在35khz以及以上的信号衰减。扼流圈必须足够大以避免饱和，并且必然会引入功率损耗。

以上情况不限于智能仪表，而是无论何时需要将电网络上的设备与其阻抗的变化在确定的频带中隔离的情况下它都会发生，正如对于与已知的无源解决方案相比例如在更小的封装中和具有更低成本的有源emi滤波器可能是这种情况。

技术实现要素：

本发明提出了一种用于在预定频带中稳定受害者设备下游的线路阻抗的改进的解决方案。在使用情况下，受害者设备是在上述频带中传输的plc调制解调器或智能仪表。通过具有第一独立权利要求的特征的有源去耦阻抗，本发明克服了已知技术的限制。本发明提出了一种具有像电流变压器这样的变压器的有源阻抗，该变压器具有在电源线上可连接的初级绕组（primary），并且其次级绕组（secondary）由有源负荷电路（activeburdencircuit）加载。有源负荷电路被布置为在电源频率处呈现低阻抗，并且在目标频带中呈现较高阻抗。另一个优点是变压器和负荷与电源线电隔离。

幸亏本发明的特征，由于低的负荷值，所以包含了在电源频率下的电压降，使得包含了磁化通量并且小的铁芯足以防止饱和。同时，目标频带中的负荷阻抗较高，使得从变压器的初级侧看到的阻抗成比例地变大，并且信号不会衰减。本发明的设备的尺寸可以设计成在目标频带中引入额外的阻抗，并且以这种方式，与负载无关地防止过度衰减。该阻抗本质上优选地是电阻性的，并且其幅度可以高于5欧姆，或者超过10欧姆。在实际实现中，可获得约50-100欧姆的值。

从属权利要求涉及可选的有利特征，包括根据上述标准可以是从35khz至500khz的目标频带；以及一种有利的有源结构，其具有放大器或单位增益缓冲器，以响应于高通滤波器的输出，在目标频带中抵消流入负荷网络的电流；包括一系列阻抗的负荷网络。负荷网络和高通滤波器的尺寸被设计，使得在电源频率下，放大器的输出电流基本为零，而在目标频带内，负荷网络不从变压器汲取任何电流。

附图说明

借助于以示例的方式给出并通过附图图示的实施例的描述，将更好地理解本发明，其中：

图1以简化的表示示出了包括本发明的有源阻抗的智能仪表装置（smartmeterinstallation）。

图2a和2b示出了用于受害者设备的传输通道的简化模型，该受害者设备需要保护免受分别为负载阻抗和网络阻抗的变化。

图3是本发明的设备的等效电路，该等效电路包括变压器和负荷负载。

图4a和4b分别是在电源频率上、在目标频带上本发明的线路阻抗的得到的等效电路。

图5示意性地示出了具有环形类型电流变压器的实施例。

图6a和6b示出了本发明设备的开环电压控制的电压源实施例。

图7a和7b示出了闭环电流控制的实施例。

图8示出了开环电压控制的电流源实施例。

图9示出了用于开环电压控制实施例的有源负荷的电路实现。

图10是在智能仪表的电源和信令频带中得到的阻抗的图。

图11示出了闭环电压控制的实施例。

具体实施方式

图1示出了包括本发明的去耦阻抗的智能仪表装置。区域30代表消费者的电气装置（electricalinstallation），其中多个负载连接到来自配电变压器（未示出）的次级电源线35，并且还可以服务于其他消费者。

放置在入口处的智能仪表40记录累积的电气消耗，并将其经由plc调制解调器45和数据集中器47传送到供电商的服务器60。消耗信息例如用于计费和用于控制网络。从服务器到仪表的双向通信也是可能的。

放置在仪表40和负载32之间的电子去耦阻抗20防止线路阻抗被负载阻抗拉低，并且避免了通信信号的衰减，并减轻来自在介绍中提及的负载的噪声发射器的影响。

应当理解，就本发明的目的而言，是要使电网络上的设备与网络上的阻抗变化解耦，其用途不限于智能仪表，而是可以扩展到许多情况，其中必需保护设备（称为“受害者设备”）免受网络上阻抗变化。因此，图1中所示的使用情况不是穷举的，并且本发明可以用于解耦任何受害者设备40，而与plc通信接口的存在无关。可以保护受害者设备免受负载侧（如图2a中）上以及网络侧（如图2b中）上的阻抗波动。

图5示出了如何将本发明的去耦设备电感地耦合到在受害者设备40和负载32之间的电源线。本发明的有源去耦阻抗包括变压器，具有可连接至电源线的初级绕组以及在负荷网络29上闭合的次级绕组。有利地，变压器可以是具有实心环铁芯25的电流变压器，其中可以插入电源线电缆或总线，使得初级绕组中的螺旋数目为。以这种方式，如图3中所示，可以在不切断电源线的情况下安装本发明的有源去耦阻抗。其他可能的布置包括分裂铁芯变压器，该分裂铁芯变压器可以在不打开它的情况下夹在电源线上，以及另一方面具有绕线式初级绕组的变压器。

在下面的描述中，我们考虑变压器模型，其中所有值称为初级侧。变压器模型通常会包括其中考虑匝数比的理想变压器。为了简单起见，假设本说明书中的变压器具有1：1的匝数比。在大多数实际使用情况下，变压器将具有初级绕组为1匝，以及在次级绕组上为多匝。电源线看到负荷网络的阻抗被匝数比的平方缩放：：本说明书中也忽略了虚假分量，例如杂散电感、绕组电阻和杂散电容。针对适当的电路操作，与其它电路阻抗参数相比，这些分量在操作频带内的阻抗应保持较小。

变压器耦合系数k应该足够接近1。在这种情况下，杂散电感比其他电感值相比将小。

电压信噪比

图2a是其中插入了受害者设备的电源线的表示。受害者设备可以是如图1中的智能仪表、有源emc滤波器或应与负载阻抗变化解耦的任何设备。在网络中其中连接受害者设备的点上考虑以下电压和阻抗：

通信信号电压

通信信号源阻抗

在受害者设备上接收到的电压

受害者设备输入阻抗

去耦阻抗

来自负载的噪声电压

来自负载的噪声源阻抗

在受害者设备处接收到的电压是来自网络的通信信号与来自负载的噪声电压之和。电压信噪比（在下文中表示为snr）指示：相比其它阻抗，设备输入阻抗被假定为高。通过这种近似，可以求解图2a的等效电路，并按如下方式计算在稳定器阻抗插入前后的snr：

在没有本发明的情况

在受害者设备上接收到的信号电压：

在受害者设备上接收到的噪声电压：

信噪比：

在本发明的情况

在受害者设备上信号电压：

在受害者设备上噪声电压：

信噪比：

本发明的有源去耦阻抗使所看到的负载阻抗稳定，并且产生了由下式给出的电压s/n比的改善：

因此，为了改善电压信噪比，我们必须。

如图2b中，类似的考虑适用于其中去耦阻抗20在网络侧上的情况。

操作原理

现在将参考图3、4a，4b讨论操作原理，其中第一幅图示出了去耦阻抗的等效电路，其中

初级电压

初级电流

磁化电感

铁芯损耗电阻

磁化电流

负荷电感

负荷电流

残余电阻

残余电流

补偿电流

由定义初级电流。

电源频率（图4a）

假定和：在电源频率下的冲击电流为。当时，则，因此初级电压将为并且磁化电流为。然后。

因此，并且变压器铁芯具有饱和电流为。负荷的增加允许相电流为。

注意，以上取决于假设，即杂散电感和所有绕组电阻的总阻抗明显小于电源频率下的阻抗。

目标频率（图4b）

使，则：冲击信号电压产生电流。初级阻抗为。此外，，因此。

优选地，变压器应具有显著高的耦合系数以实现上述表达式。较低的耦合系数将导致较高的杂散电感，其将减少有效性。

开环电压控制的实施例（图6a-6b）

图6a和6b示出了实现本发明的去耦阻抗的可能示例，其中具有被配置为开环控制器的有源负荷网络。如图6b中所图示的，负荷被连接在变压器的次级绕组上，并且图6a是从初级侧看到的等效电路。滤波器105选择其中发生plc通信的频带中的电压信号，并由放大器108和受控电压源112产生补偿电压。我们引入以下缩写：

初级电压

初级电流

磁化和负荷等效阻抗

磁化和负荷等效电流

残余阻抗

残余电流

补偿电流

环路电压增益

我们要求以便。然后和。因此，环路电压增益为，并且由给出初级绕组上合成阻抗。

图6b示出了在图6a的变体中的有源负荷29，其直接连接到变压器25的次级绕组。

图9示出了可以在图6a-6b的实施例中使用的有源负荷电路29的可能实现。放大器108产生在电感l1和l2之间的节点中注入的电压，从而减小在目标频带中流过它们的电流。其他电感布置也是可能的，其中可以省略l1或l2。

闭环电流控制的实施例（图7a-7b）

如所表示的，实现的另一可能示例包括受控电流源114，该受控电流源114由放大器108驱动，该放大器的输入连接到电流传感器24，该电流传感器可以是辅助电流变压器。滤波器105将补偿电路的行为限制到目标频带，使得在电源频率下，本发明的去耦阻抗等效于图4a的电路。我们引入以下缩写：

初级电压

初级电流

磁化和负荷等效阻抗

磁化和负荷等效电流

残余电阻

残余电流

补偿电流

环路电流增益

我们要求以便。然后和。电流环路增益为，以及合成初级阻抗由如之前示例中的给出。

图7b示出了在图7a的变体中的有源负荷29，有源负载29直接连接至变压器25的次级绕组，其中额外电流变压器24用于提取信号。

开环电压控制电流源实施例（图8）

图8图示出了用于本发明的电路的另一种可能的结构，其基于由输入电压通过带通滤波器105和包括积分器103和具有权重的比例支路的网络驱动的电压控制电流源114，该积分器的输出由加权，使得在由滤波器105选择的频带中，由给出校正电流以便。然后。注意，由于输出电流不会直接影响感测到的电压，因此这是一种开环控制。

如图6b中，图8的有源负荷电路可以连接在变压器的次级端子上。

闭环电压控制的实施例（图11）

如所表示的实现的另一可能示例包括由放大器108驱动的输出的受控电压源112，该放大器的输入连接到电流传感器24，该电流传感器可以是如图7a/7b的实施例中的辅助电流变压器。滤波器105将补偿电路的行为限制到信令频带。由感测电流产生驱动电压的传递函数是正向跨阻抗。阻抗与在初级上测量的阻抗相同。具有电压源112的放大器108被布置为抵消流入负荷网络的电流，使得负荷网络在期望的频带中的阻抗增加。

初级电压

初级电流

磁化和负荷等效阻抗

磁化和负荷等效电流

补偿电流

正向跨阻抗

正向跨阻抗是

。

由下式给出电流：

。

因此，从电压源112汲取的电流为

。

在初级上测量的合成阻抗为。

图10是示出在图9的实施例中本发明的去耦阻抗的行为的伯德图。该电路已经针对ceneleca频带中的信令进行了优化。电源分布的频带和plc信令所使用的频带分别由散列区域130和140指示。可以理解的是，初级阻抗120的幅度在50-60hz处非常低，这导致低损耗，并增加了在不使铁芯饱和的情况下可以流通的最大电流，并且在信令频带内上升到大约100ω。如相位图125所示，信令频带中的阻抗本质上基本上是电阻性的。

附图中使用的参考编号

20有源去耦阻抗，有源阻抗稳定器

24感测变压器

25变压器

28辅助电源

29有源负荷网络

30消费者

32负载

35电源线

40受害者设备/智能仪表

42千瓦时仪表

45plc调制解调器

47数据集中器

60服务器

103积分器

104衰减

105滤波器

108放大器

112受控电压源

114受控电流源

120幅度

125相位

130电源频带

140目标频带，信令频带。