CN101040404A - 用于电力线通信的电感耦合器 - Google Patents

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CN101040404A CNA2005800350678A CN200580035067A CN101040404A CN 101040404 A CN101040404 A CN 101040404A CN A2005800350678 A CNA2005800350678 A CN A2005800350678A CN 200580035067 A CN200580035067 A CN 200580035067A CN 101040404 A CN101040404 A CN 101040404A
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Abstract

本发明提供了一种把数据信号耦合至电力线的电感耦合器。该电感耦合器包括分裂磁芯，所述分裂磁芯具有由上磁芯和下磁芯形成的孔径。该孔径允许作为初级线圈的电力线穿过。上磁芯与电力线的外表面电性接触，并且下磁芯与上磁芯电性接触。

Description

用于电力线通信的电感耦合器
技术领域
本发明涉及电力传输系统中的数据信号通信，特别涉及一种利用电力传输电缆中的导线耦合数据信号的电感耦合器的使用。
背景技术
在电力线通信系统中，数据耦合器在电力线和通信设备(例如调制解调器)之间耦合数据信号。射频调制数据信号可被耦合到中低压电力传输网上，并且在中低压电力传输网络上被传输。
此种数据耦合器的例子为电感耦合器。电力线电感耦合器基本上是一个变压器，其初级线圈连接至电力线，而次级线圈连接至通信设备，例如，调制解调器。在专利号为6,452,482、专利申请号为10/429,169以及专利申请号为10/688,154的美国专利中对电感耦合器的例子和其使用进行了描述。以上所有专利均被转让给本发明的受让人，且在此作为参考资料合并进来。
电感耦合器可实现串联耦合作用，其可通过架空和地埋电力电缆，发送从低于4MHz直至超过40MHz的频率区间的电力线通信系统的信号。遗憾的是，在多数情况下，电力线缆不能被干扰。这限制了通过电感耦合器的初级线圈为“单匝线圈”。当电力线的阻抗高于调制解调器的阻抗时，数据耦合器的阻抗匹配将是困难的。因为，当初级线圈仅限于单匝线圈时，次级线圈无法少于单匝。
包含电感耦合器的磁路展示了非线性特性，例如，电路的磁通量密度与施加的磁化力之间的(B-H)曲线的非线性。这种非线性与由零升至最大值的磁通势结合，使电力频率的周期变为两倍，从而引起失真。这种失真包括发送和接收信号的幅度调制。在这种失真的某些阈限值下，调制解调器或其它通信设备会得到错误数据。
因此，需要一种电感耦合器和改善电力线与通信设备或调制解调器之间阻抗匹配的对应电路。还需要一种减小发送和接收信号的失真的电感耦合器。本发明的设备和方法通过电力传输电缆上的导线和电路提供了数据信号的串联耦合，改进了阻抗匹配并减小了信号失真。
发明内容
本发明的目的在于提供一个改进的耦合器，其用于耦合数据信号至电力传输电缆的导线。
本发明的另一个目的在于提供一个成本低的，并且具有高数据率能力的耦合器。
本发明的进一步目的在于提供一个安装时不需切断电力供应的耦合器。
本发明的这些及其他目的可通过以下方法实现：配置电力线通信系统的组成部分，包括安装将电力线导线用作为初级线圈的电感耦合器；连接通信设备至电感耦合器的次级线圈；以及在次级线圈与通信设备之间连接线圈比为2∶1的射频信号转换器。
根据另一实施例，本发明提供了电力线和通信设备之间的用于耦合数据的组成部件装置。此装置包括将电力线导线作为初级线圈的电感耦合器和连接次级线圈与通信设备的射频信号转换器。此射频信号转换器的线圈比为2∶1。
根据另一实施例，本发明提供了在通信设备和电力线之间耦合数据信号的电感耦合器。所述电感耦合器包括，磁芯和次级电路，所述磁芯具有由第一部分和第二部分构成的孔径，所述次级电路具有穿过孔径的线圈，该线圈作为连接至通信设备的次级线圈。孔径允许电力线作为初级线圈穿过，且电感耦合器具有约为1.5μH至2.5μH的初级电感线圈。
根据另一实施例，本发明提供了在通信设备和电力线之间耦合数据信号的电感耦合器。所述电感耦合器包括：分裂磁芯和次级电路，所述分裂磁芯具有由第一部分和第二部分构成的孔径，所述次级电路中的线圈穿过孔径，且作为连接至通信设备的次级线圈。分裂磁芯的第一部分和第二部分之间形成了一个气隙，且孔径允许电力线作为初级线圈穿过。
根据另一实施例，本发明提供了在通信设备和电力线之间耦合数据信号的电感耦合器。所述电感耦合器包括：使用电力线的初级线圈和作为次级电路且连接至通信设备的次级线圈。电感耦合器的路径损耗少于10dB。
磁芯的孔径的直径约为1.5英寸。磁芯的径向厚度小于孔径直径。磁芯的气隙约为30mil。磁芯的重量小于约10磅。磁芯可由纳米晶磁性材料制成。
附图说明
图1是本发明的电力线和用于数据通信的电感耦合器的装置示意图；
图2是带有电感耦合器的阻抗匹配电路的如图1所示的数据通信装置的原理图；
图3是电感耦合器的立体图，所述电感耦合器包括磁芯、初级线圈和次级线圈；
图4是如图3所示的电感耦合器的横截面图；以及，
图5是磁通量密度与所施的磁化力(B-H)之间的曲线示意图，其反映了典型铁氧体材料的非线性。
具体实施方式
架空和地埋传输线可以用于数字数据的双向传输，即电力线通信系统(PLC)或电力线宽带(BPL)。此类传输线架设于电力公司的变电站和一个或多个遍及附近的中/低压配电变压器之间。中/低压配电变压器将中压电降至低压，然后再输送至家庭和商业中心。
本发明涉及了一种耦合器在中压电网中的使用。耦合器使得能够通过电力传输电缆传输数据信号。所述耦合器具有通过电力传输电缆的导线耦合数据信号的第一线圈，和电感耦合到第一线圈的第二线圈，其用于通过数据接口耦合数据信号。
根据图1，示出了用于数据通信的电力线的装置。电力线或电缆200具有设于其上的电感耦合器220。
电力线200充当耦合器220的第一线圈225。耦合器220的第二线圈235被耦合至接口255，通过接口255发送或接收数据。因此，电缆200用作(enlisted for us)高频传输线，其可通过耦合器220连接到通信设备，例如，调制解调器(未示出)。
耦合器220是射频转换器。在输送电力的频率下，该转换器的初级线圈(即第一线圈225)的阻抗是可以忽略的。
如上面对图1的描述，图2再次示出了电缆200和耦合器220，相同的附图标记代表类似的特征。图2还示出了第二电力导线260，其代表不同相位的第二主要电线或者代表零线。当电缆200和260均为架空线时，传输差动信号的架空线的特性阻抗Z0至少约为100欧姆。初级线圈225把此阻抗视为两倍(sees the impedance twice)，即耦合器220的每一端均为一倍，则总阻抗至少约为200欧姆。
调制解调器375具有一般大约为50欧姆的阻抗。当电缆200不受干扰的放置时，通过调整耦合器220适当的线圈比不能完成阻抗匹配。因此，在这些条件下，初级线圈和次级线圈仅使用单匝线圈，耦合器220的线圈比为1∶1。这意味着从次级线圈看上去的等效阻抗名义上是与从初级线圈看上去的等效阻抗相同，即约为200欧姆。
为了改善带有调制解调器375的电力线通信系统的阻抗匹配，调制解调器375具有上述特性阻抗，射频信号转换器300被连接到耦合器220的次级线圈235和调制解调器之间。射频信号转换器300有初级线圈325和次级线圈335。根据上述电力线200和调制解调器375的阻抗特性，射频信号转换器300的线圈比应为2∶1。
图3和图4示出了电感耦合器400，电感耦合器400如对于图1和图2的耦合器220的上面描述被使用。耦合器400具有磁芯500，其包含铁芯组565和566。塑料包装材料，即塑料层570和571，可以用来把铁芯组565和566捆绑在一起。磁芯500包括孔径520。相线200经过孔径520的上部521。次级线圈510和次级绝缘体575经过孔径520的下部。因此，磁芯500是一个合成的分裂铁芯，其可用于电感耦合器，并使得电感耦合器400可以设置在通电的电力线上，例如，通电的相线200。
孔520优选为椭圆形或卵形，以适应可能具有大直径的相线200和可能具有厚绝缘层的次级绝缘体575。此种椭圆形或卵形的形状是可以实现的，例如，通过将分裂铁芯500设置成第一部分和第二部分，即上铁芯525和下铁芯530，上铁芯525和下铁芯530为马蹄形状以形成磁芯500的赛马场形状(racecourse shape)，因此，得以容纳足够大直径的相线200和足够厚的次级绝缘体575。
上铁芯525和下铁芯530是有磁性的，并有很大的介电常数。因为压降与电容成反比，电容与介电常数成正比，所以上铁芯525和下铁芯530充当高压下的导体。上铁芯525与相线200接触。因此，上铁芯525被通电以避免相线200周围的强烈电场，也可避免通过空气的局部放电。
可选地，上铁芯525和下铁芯530可被相互电性接触地放置，以排除它们之间的电压差。足够的大的这种电压差将引起通过它们之间的气隙535的放电，从而产生电噪声，其可干扰耦合器的工作，并可产生对附近无线电接收器的干扰。可选地，上铁芯525和下铁芯530可被涂覆半导体层，所述半导体层将进一步的降低铁芯区域的电场，从而避免放电。
在接收数据信号的过程中，耦合器400初级线圈的磁化电感阻抗将分流信号(in shunt with the signal)。当接受信号时，为了防止大多数信号电流在耦合器400的磁化电感中循环，而不能到达调制解调器。耦合器的初级线圈阻抗应该不能比电力线200的射频特性阻抗小太多。同样的，当发射信号时，如果耦合器的初级线圈阻抗比电力线200的射频特性阻抗小太多，大多数发射电流将在耦合器400的磁化电感中循环，而不通过电力线200。
耦合器400初级线圈的射频阻抗的大小可约为：
                       |Z|≈2πfLp
其中，f为频率，单位为MHz，Lp为初级电感，单位为μH。此近似值忽略了耦合器400的损耗。为了使磁性耦合系数k趋于1，初级线圈的阻抗和磁化电感的阻抗是几乎相等的。
为了最小化耦合器400的初级电感Lp的接受和发射效果，初级线圈阻抗|Z|的大小应为电力线200的特性阻抗的有效部分。然而，由于电力线200不受干扰，并限于单匝线圈，因此，耦合器400的线圈比不能用来实现这种最小化。
期望的初级电感可以通过磁芯500的操作来实现。上铁芯525和下铁芯530必须提供一个拥有足够低磁阻的磁路。上铁芯525和下铁芯530的磁阻与磁路长度l(即铁芯的圆周)成正比例，与截面积A以及磁导率μ成反比例：
                  L～1/Rmag与Rmag～l/(μA)
得，
                           L～μA/l
其中，截面积A是磁芯500的径向厚度Y(见图4)与纵向尺寸X(见图3)的乘积。当然，由于制造的约束，磁芯500的径向厚度Y与纵向尺寸X是有限度的。
磁路长度l的下限至少部分的由耦合器400可适应的最大电线直径决定，也同样的由次级线圈510周围的绝缘体575的厚度决定。对于典型的中压导体，磁芯500的内径D内应约为1.5英寸。
不难发现，径向厚度Y应小于内径D内。这将防止沿外径D外方向的磁路长度l超过沿内径D内方向的磁路长度。由于磁动势与磁路长度l成反比例，则沿内径D内方向的磁路与沿外径D外方向的磁路相比，将在更低的交流电流下饱和。因此，如果增加纵向尺寸X而不是径向厚度Y，磁芯500外部的磁性材料可以被更有效地利用。
当处于达到数十兆赫兹的射频时，可利用的磁性材料将受到磁导率和最大磁通量密度的限制。通常，较低磁导率的材料有较大的最大磁通量密度。
根据图3至图5，通过典型铁氧体材料的B-H曲线示出了耦合器400及通常的磁路的非线性特性的例子。为了减轻由这样的非线性引起的发射和接受信号的失真，气隙535可被引入耦合器400的磁路。气隙535是磁芯500中磁芯的一个或多个磁极面的间隔。
可以发现，为使耦合器的响应频率可低至4MHz，耦合器400的初级电感应至少达到1.5μH。对于频率上限为低频截止数倍的宽带耦合器，在由于增加的电感而获得的较低下限截止频率的好处与由于漏电感而获得的增加的耦合器线性衰减的好处之间权衡。这种漏电感归因于气隙535处的磁通量泄漏与磁芯材料的受限的磁导率。
漏电感串联于电力线200与耦合器400的次级线圈510之间，且其电抗随频率增加。对于优选地工作在从低于4MHz直至超过40MHz的区间内并且采用磁耦合系数的实际范围的耦合器，不难发现，耦合器400的初级电感不应超过2.5μH。基于这点，可以得知，耦合器400的初级电感最佳取值范围应为1.5μH至2.5μH。
同样可知，对于内径D内至少为1.5英寸且磁芯的重量不超过10磅的耦合器400，包括铁芯和气隙的等效磁导率μ的取值范围约为200至300。为了达到至少200安培rms的电力电流容量，具有大约30mil或者大约0.76mm厚度或间距的气隙535应该用于磁芯500的两个极面中的每个上，其将提供大约三倍于磁芯500的磁阻。气隙535是增加电流容量的8个因素之一，同时也是减小阻抗的3个因素之一。气隙535可减小由磁芯500的极面匹配的几何瑕疵所引起的偶发气隙的变异效果，还可减小铁芯材料磁导率引发的制造变异效果。另外，气隙535可减少射频铁芯的损耗。可知，磁芯500应存在初始相对磁导率μ，其取值范围为600至1000。
由于磁芯500使用铁氧体磁性材料，将发生意外的结果。当磁通量密度为2800至4800高斯时，铁氧体铁芯饱和。粉状金属铁芯比铁氧体铁芯有更高的饱和磁通量密度，但其相对磁导率μ不超过100。所需的粉状金属铁芯的总重量几倍于所需的铁氧体铁芯。不难得知，如上面的描述，当耦合器400用于阻抗匹配转换器，例如，图2中的转换器300，且上述耦合器400用于架空线时，耦合器400可实现每个耦合器的路径损耗为6至10dB。
对于传输超过200安培电流的电力线，铁氧体铁芯材料可由纳米晶铁芯代替。鉴于此处讨论的范围，当不存在超饱和的情况下，可以容纳600安培的电流。
参照一个或更多实施例描述公开内容的同时，本领域的普通技术人员可以理解，可以对本发明做各种改动并且对本发明的部件做相应的等价替换而不超出本发明的范围。另外，在不背离公开范围的情况下，依据公开内容的指导，可根据特殊情况或材料做出许多更改。因此，本发明所公开的内容并不限于所公开的实施本发明的最优方式中的特定实施方式，而是本发明包含所有落入所附的权利要求范围内的实施方式。

Claims (38)

1.一种配置电力线通信系统组成部件的方法，包括：安装将电力线导线作为初级线圈的电感耦合器；连接通信设备至所述电感耦合器的次级线圈；以及在所述次级线圈与所述通信设备之间连接线圈比为2∶1的射频信号转换器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括通过电感耦合器施加的初级电感线圈，所述初级电感线圈约为1.5μH至2.5μH。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电感耦合器的路径损耗少于10dB。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括通过引入所述电感耦合器的磁芯的气隙，减小电力线通信系统中的失真。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射频信号转换器包含由纳米晶磁性材料制成的铁芯。
6.一种用于在电力线和通信设备之间耦合数据的组成部件的装置，包括将电力线导线作为初级线圈的电感耦合器和连接通信设备至所述次级线圈的射频信号转换器，所述射频信号转换器的线圈比为2∶1。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电感耦合器具有约为1.5μH至2.5μH的初级电感线圈。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，组成部件装置的路径损耗少于10dB。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电感耦合器具有由孔径形成的磁芯，所述孔径允许所述初级线圈和次级线圈穿过，且所述孔径的直径约为1.5英寸。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述磁芯的径向厚度小于所述孔径的直径。
11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述磁芯包含由所述磁芯的相对面形成的一对气隙，并且所述气隙厚度约为30mil。
12.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述磁芯的重量少于约10磅。
13.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述射频信号转换器包含由纳米晶磁性材料组成的磁芯。
14.一种用于在通信设备和电力线之间耦合数据信号的电感耦合器，包括：磁芯和次级电路，所述磁芯具有由第一部分和第二部分构成的孔径，所述次级电路中的线圈穿过所述孔径，并且作为次级线圈连接至所述通信设备，所述电感耦合器的初级电感线圈约为1.5μH至2.5μH。
15.根据权利要求14所述的电感耦合器，其特征在于，所述孔径的直径约为1.5英寸。
16.根据权利要求14所述的电感耦合器，其特征在于，所述磁芯由纳米晶磁性材料制成。
17.根据权利要求14所述的电感耦合器，其特征在于，所述电感耦合器的路径损耗少于10dB。
18.根据权利要求14所述的电感耦合器，其特征在于，所述磁芯具有径向厚度，所述孔径具有直径，并且所述径向厚度小于所述直径。
19.根据权利要求14所述的电感耦合器，其特征在于，所述磁芯具有由所述磁芯的相对面形成的一对气隙，并且所述气隙的厚度约为30mil。
20.根据权利要求14所述的电感耦合器，其特征在于，所述磁芯的重量少于约10磅。
21.根据权利要求14所述的电感耦合器，其特征在于，所述次级电路具有连接所述通信设备至所述次级线圈的射频信号转换器，并且所述射频数据转换器的线圈比为2∶1。
22.一种用于在通信设备和电力线之间耦合数据信号的电感耦合器包括：分裂磁芯和次级电路，分裂磁芯具有由第一部分和第二部分构成的孔径，所述第一部分和第二部分之间形成气隙，并且所述孔径允许电力线作为初级线圈穿过，所述次级电路具有穿过所述孔径的线圈，并且所述线圈作为次级线圈连接至所述通信设备。
23.根据权利要求22所述的电感耦合器，其特征在于，所述气隙是由所述磁芯的相对面形成的一对气隙，并且所述气隙中的每个的厚度约为30mil。
24.根据权利要求22所述的电感耦合器，其特征在于，所述磁芯由纳米晶磁性材料制成。
25.根据权利要求22所述的电感耦合器，其特征在于，所述孔径的直径约为1.5英寸。
26.根据权利要求22所述的电感耦合器，其特征在于，还包括约为1.5μH至2.5μH的初级电感线圈。
27.根据权利要求22所述的电感耦合器，其特征在于，所述分裂磁芯具有径向厚度，所述孔径具有直径，并且所述径向厚度小于所述直径。
28.根据权利要求22所述的电感耦合器，其特征在于，所述电感耦合器的路径损耗少于10dB。
29.根据权利要求22所述的电感耦合器，其特征在于，所述分裂磁芯的重量少于约10磅。
30.根据权利要求22所述的电感耦合器，其特征在于，所述次级电路具有连接所述通信设备至所述次级线圈的射频信号转换器，并且所述射频信号转换器的线圈比为2∶1。
31.一种用于通信设备和电力线之间耦合数据信号的电感耦合器包括：铁芯和次级电路，所述铁芯具有孔径，电力线作为初级线圈穿过所述孔径，所述次级电路具有连接至通信设备的次级线圈，并且所述电感耦合器的路径损耗少于10dB。
32.根据权利要求31所述的电感耦合器，其特征在于，所述铁芯包括磁芯，所述磁芯具有由第一部分和第二部分构成的孔径，所述次级电路穿过上述孔径，且电感耦合器的主电感线圈，约为1.5μH至2.5μH。
33.根据权利要求32所述的电感耦合器，其特征在于，所述孔径的直径约为1.5英寸。
34.根据权利要求32所述的电感耦合器，其特征在于，所述磁芯具有径向厚度，所述孔径具有直径，并且所述径向厚度小于所述直径。
35.根据权利要求32所述的电感耦合器，其特征在于，所述磁芯具有由所述磁芯的相对面形成的一对气隙，并且所述气隙厚度约为30mil。
36.根据权利要求32所述的电感耦合器，其特征在于，所述磁芯的重量少于约10磅。
37.根据权利要求32所述的电感耦合器，其特征在于，所述次级电路具有连接所述通信设备至所述次级线圈的射频信号转换器，并且所述射频信号转换器的线圈比为2∶1。
38.根据权利要求32所述的电感耦合器，其特征在于，所述磁芯由纳米晶磁性材料制成。
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