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Previous issue date: 2017 / Esta tese de doutorado apresenta, inicialmente, uma revisão sobre acopladores para power line communication (PLC), utilizados para acoplar o sinal dos transceptores PLC à rede de energia elétrica. As questões predominantes para o projeto de acopladores e, consequentemente, os diferentes tipos de acopladores são discutidos. Uma classificação dos acopladores PLC baseada nos tipos de acoplamentos (capacitivo, indutivo, resistivo e por antenas), níveis de tensão, largura de banda de frequência, modos de propagação e números de conexões com a rede de energia elétrica é apresentada. Em seguida, o projeto de circuitos PLC de acoplamento capacitivo não adaptativos, single input single output (SISO) de baixa tensão para aplicações banda larga e banda estreita são discutidos. O acoplador PLC banda estreita é projetado para a banda de frequência de 9 kHz-500 kHz, enquanto os acopladores banda larga são projetados para a banda de frequência de 1.7-50 MHz, 1.7-100 MHz e 1.7-500 MHz. Além disso, discute-se as especificações e o projeto dos protótipos desses circuitos de acoplamento PLC medindo seus parâmetros de espalhamento. A seguir, é discutida a medida da impedância de acesso da rede de energia elétrica de baixa tensão na banda de frequência 2- 500 MHz, visando apresentar prévio conhecimento da impedância de acesso da rede de energia elétrica no Brasil com base em uma campanha de medição realizada em várias instalações em três cidades brasileiras diferentes. Além disso, é proposto um procedimento para obter um modelo estatístico da impedância de acesso na referida faixa de frequência. Com base em uma série de medidas de impedâncias de acesso da rede de energia elétrica e critérios para a escolha de modelos estatísticos, esta tese sugere duas distribuições para modelar as componentes resistência e reatância da impedância de acesso da rede de energia elétrica. Uma vez que, os parâmetros de tais modelos mudam com a frequência e que a impedância de acesso é um processo aleatório no domínio da frequência, um modelo simples para gerar amostras em função desse processo aleatório, que leva em consideração as distribuições sugeridas, é detalhado. Por fim, é proposto um circuito de acoplamento adaptativo PLC, capacitivo, SISO de baixa tensão. Estes circuitos de acoplamento adaptativos usam três diferentes filtros analógicos passa-baixa com diferentes impedâncias de entrada. A impedância de entrada de cada filtro analógico é projetado de acordo com os valores obtidos através da campanha de medição, e a impedância de saída é projetada para 50 Ω. A escolha do filtro analógico que proporciona melhor casamento de impedância com a rede de energia elétrica é obtido por um microcontrolador, que através de um conversor analógico digital, monitora a tensão fornecida por um circuito que mede a potência dos sinais injetados nos acopladores PLC pelos transceptores PLC. A monitoração da potência é realizada continuamente pelo conversor analógico digital do microcontrolador que escolhe qual o filtro analógico proporciona o melhor casamento de impedância com a rede de energia elétrica e comuta os filtros analógicos através de uma chave de analógica conectando os transceptores PLC a rede de energia elétrica através dos acopladores PLC. Além disso, as medições dos valores do parâmetro de espalhamento S11 confirmam que a componente resistiva da impedância de acesso da rede de energia elétrica apresentou melhor casamento de impedância entre 50 Ω e 100 Ω. Por fim, os valores medidos do parâmetro de espalhamento S12 mostram que a atenuação cresce com o aumento da frequência devido ao comportamento indutivo da rede de energia elétrica. / This work outlines a comprehensive review of PLC coupling circuits, which are required
for narrowband and broadband PLC transceivers. Prevailing issues that protract
the design of couplers and consequently subtended the inventions of different types
of couplers are clearly described. Also, it provides a useful classification of PLC
couplers based on the type of physical couplings, voltage levels, frequency bandwidth,
propagation modes and a number of connections. Next, the focus is on the design of
non-adaptive capacitive, SISO and low-voltage (LV) PLC coupling circuits for both
broadband and narrowband applications. The narrowband cover the frequency band
9 kHz-500 kHz, while broadband frequency bands are 1.7-50MHz, 1.7-100MHz and 1.7-
500 MHz. Moreover, it discusses the specification and design of the prototypes of the
PLC coupling circuits measuring their scattering parameters. The access impedance
of Brazilian in-home, broadband and low-voltage electric power grid in the frequency
band 2-500 MHz is taken into account. Based on the use of a measurement setup a
large measurement campaign that was carried out in several facilities in three different
Brazilian cities is discussed. Also, a procedure to obtain a statistical model of the access
impedance in the aforementioned broadband frequency is outlined. Based on a number
of measured access impedances and well-known criteria for choosing statistical models,
two distributions to model the resistance and reactance components of the access
impedance are suggested. Due to the fact that the parameters of such models change
with the frequency and the access impedance is a random process in the frequency
domain, a simple and effective model to generate samples function of such random
process, which takes into account the suggested distributions, is addressed. Finally,
adaptive capacitive, SISO and LV PLC coupling circuits are proposed for broadband
power line communication. These adaptive coupling circuits use three different analog
low-pass filter for impedance matching. This filter is an array of analog low-pass
irregular filters that separate the input and output signal into three analog low-pass
filters, each one matching the impedance between the electric power grid and PLC
transceiver. The input impedance of each filter has a different impedance value, chosen
according to the impedance of the measurement campaign, and the output impedance
is fixed in 50 Ω for all analog low-pass filter. The choice of the analog filter that provides
better impedance matching to the electrical power grid is obtained by a microcontroller,
which through an analog-to-digital converter (ADC), measure the voltage provided
by a circuit that measures the power of the signals injected into the PLC coupling
circuit by the PLC transceivers. The power is continuously measured by an ADC
of the microcontroller which chooses which analog filter provides the best impedance
matching with the electric power grid and switches the analog filters through an analog
switcher connecting the PLC transceivers to the electric power grid through the PLC
coupling circuit. In addition, the measured values of the scattering parameter S11 show
that the best impedance matching occurs when the resistive impedance component of
the access impedance is between 50 Ω and 100 Ω . For the scattering parameter S12
it has been found that the attenuation increases as the frequency increases because of
the inductive behavior of the electric power grid.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:hermes.cpd.ufjf.br:ufjf/6011 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Costa, Luís Guilherme da Silva |
| Contributors | Ribeiro, Moisés Vidal, Queiroz, Antônio Carlos Moreirão de, Duque, Carlos Augusto, Rego, Cássio Gonçalves do, Ferreira, Elnatam Chagas, Andrade Filho, Luciano Manhães de |
| Publisher | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF), Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica, UFJF, Brasil, Faculdade de Engenharia |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFJF, instname:Universidade Federal de Juiz de Fora, instacron:UFJF |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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