по теме: Применение ит для расчета и анализа прохождения импульсного сигнала через дифференциальный измерительный трансформатор тока (Пояс Роговского) 3 - реферат

В настоящее время электроника распространена повсеместно в науке и технике, в быту и на производстве. Во многих технических и научных задачах возникает необходимость производить расчет и анализ электронных схем на этапе проектирования, с учетом изменения условий работы, потерь в узлах схемы. Для этой цели используются различные программные средства.

В данной работе был рассмотрен расчет и анализ схемы для измерения импульсных токов с помощью дифференциального трансформатора тока (пояса Роговского) с помощью пакета программ PSpice. Целью ставилось исследование и моделирование прохождение импульсного сигнала через пояс Роговского, изучение влияние скин-эффекта и эффекта близости на данный датчик и возможности уменьшения данных эффектов.

1. Обзор литературы

При измерении тока в высоковольтных установках, как правило, приходится иметь дело с большими значениями измеряемой величины [1,2]. Не всегда удается измерить такой ток с помощью обычных измерительных приборов. В таких случаях пытаются различными способами уменьшить ток, текущий через измерительный прибор, либо измерить его по косвенным признакам. С этой целью обычно используют шунты, измерительные трансформаторы и датчики Холла. Зная зависимость между измеренным и протекающим в проводнике током, определяют величину последнего [3].

Широкое применение в электронике и микропроцессорной технике нашел пояс Роговского [4-6]. В качестве датчика тока пояс Роговского может быть использован для измерения переменного тока в диапазоне частот от менее 0,1 Гц до десятков МГц. Диапазон измерений тока также впечатляет, он может варьироваться от нескольких миллиампер до более 1 млн. ампер [6-9]. Недавно на основе технологии пояса Роговского начали выпускать доступные датчики с различными корпусами и конструктивными особенностями, в том числе популярные гибкие пояса Роговского. Данные датчики имеют ряд преимуществ перед другими датчиками переменного тока, в большинстве случаев с меньшими финансовыми затратами [11].

Существует ряд моделей имитирующих работу пояса Роговского. В современных исследованиях в стандартной модели данного датчика учитывали скин-эффект [8] и эффект близости [10, 12, 13]. Однако до настоящего момента совместное влияние этих эффектов не было рассчитано. По этой причине данная задача представляет большой интерес. В данной работе производилось моделирование пояса Роговского с учетом эффекта близости и скин-эффекта с помощью программного пакета PSpice.

За всю историю развития электронных схем не было изобретения, которое оказало бы большее влияние на работу специалистов, чем программа PSpice. С появлением PSpice достаточно иметь под рукой стандартный персональный компьютер, чтобы смоделировать работу сложнейших электронных схем [15]. PSpice позволяет расчитывать схемы любой степени сложности, задавать изменения ряда параметров схемы в процессе работы (температуры, сопротивления и т.д.), строить осциллограммы сигнала в любом узле, производить быстрое преобразование Фурье над сигналом и другие необходимые операции. Также данный программный пакет имеет большую базу электронных компонент, которую при необходимости можно самостоятельно расширить.

2. Моделирование и расчет пояса Роговского

Введение

Исследование пояса Роговского производилось в пакете программ PSpice.

Целью ставилось моделирование пояса Роговского, изучение искажений при прохождении импульсных сигналов и расчет влияния скин-эффекта и эффекта близости на работу пояса на высоких частотах.

Моделирование пояса Роговского

Рассматриваемый пояс Роговского (рис 2.1) имеет следующие параметры:

Рис. 2.1 Исследуемый пояс Роговского.

Таблица 2.1

Параметры моделируемого пояса Роговского

Параметр	Значение	Измеряющий прибор
Сопротивление	1,1 мОм	В 7-34А
Емкость	6 пФ	Е 7-8
Индуктивности	72,2 нГн	-
Количество витков	60	-
Расстояние между витками	0,5 см	-
Диаметр провода	1 мм	-
Диаметр кольца	10 см	-
Ширина окна	5 мм²	-

Моделирование пояса Роговского производилось в программе PSpice. Использовался метод интегрирования на собственной индуктивности пояса (рис. 2.2). Резонансная частота пояса Роговского без учета высокочастотных эффектов составляет 241,8 МГц. Под влиянием этих эффектов резонансная частота немного смещается в сторону высоких частот. Резистор нагрузки брался с таким расчетом, чтобы полоса пропускания была меньше, чем резонансная частота и чтобы выход с пояса согласовывался с входом цифрового осцилографа (R =1МОм ). Полоса пропускания схемы без учета скин-эффекта составила 138,9 МГц (рис. 2.3).

Рис. 2.2 Схема установки.

Рис. 2.3 Амплитудно-частотная характеристика пояса Роговского.

Весь диапазон частот измеряемого тока можно разделить на три части:

1. До частоты 17,2 кГц. Скин-эффект не наблюдается (R_ac = R_dc ).

2. Частота от 17,2 кГц до 17,2 МГц. Выбор частоты связан с тем, что на 17,2 кГц толщина скин-слоя становится равной радиусу провода. Скин-эффект не столь ярко выражен ( ).

3. Частота свыше 17,2 МГц. Ярко выраженный скин-эффект ( ).

Был проведен расчет влияния скин-эффекта на сопротивление катушки. С учетом сопротивления постоянному току и подстановки всех констант было получена следующая зависимость:

(2.1)

Формула (2.1) справедлива при частоте большей 1,72 МГц.

Модель зависимости изменения индуктивности катушки от частоты, была построена следующим образом, была использована формула для расчета индуктивности тороидальной катушки [14].

(2.2),

где d = – диаметр среднего витка обмотки, D – средний диаметр катушки, N – количество витков.

Поскольку средний диаметр катушки D >> d , то средним диаметром витка в знаменателе под корнем можно пренебречь. При скин-эффекте ток течет по поверхности провода, поэтому исключая часть площади проводника из площади витка, по этой причине происходит изменение индуктивности катушки. После некоторых преобразований была получена следующая формула.

(2.3),

где r – радиус провода, - толщина скин-слоя. На высоких частотах (f > 1,72 МГц) толщиной скин-слоя по сравнению с радиусом провода можно пренебречь и (2.3) принимет следующий вид:

(2.4)

В силу специфики программы PSpice, не удалось реализовать разбиения сигнала на диапазоны частот и зависимости индуктивности и сопротивления пояса от частоты. По этой причине было рассмотрено самое сильное влияние скин-эффекта. При сравнении полосы пропускания пояса Роговского под влиянием скин-эффекта и без учета скин-эффекта, было выявлено незначительное различие в области низких частот. Что и было показано при моделировании в PSpice (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Полоса пропускания пояса Роговского. ▼ – без учета скин-эффекта, ● – с учетом скин-эффекта на частоте 137 МГц.

Из-за значительного расстояния между витками обмотки эффект близости практически не наблюдается. По этой причине считалось, что все высокочастотные эффекты обусловлены скин-эффектом с малым поправочным коэффициентом, обусловленным эффектом близости. С учетом вышесказанного производилось моделирование пояса Роговского с параметрами цепи на частоте 137 МГц (рис.2.5).

Рис. 2.5 Схема пояса Роговского с учетом скин-эффекта (f =137 МГц ).

Таблица 2.2

Параметры пояса Роговского на частоте 137 МГц.

Параметр схемы	Значение величины
Индуктивность пояса	60,67 нГн
Сопротивление пояса	49,1 мОм
Емкость пояса	6 пФ
Сопротивление нагрузки	50 Ом

Прохождение импульсов напряжения через пояс Роговского

При моделировании прохождения импульсов напряжения через пояс Роговского были использованы импульсы различной длительностью и различными временами нарастания и спада. Амплитуда импульсов во всех случаях берется равной 1В.

Таблица 2.3

Параметры прямоугольных импульсов

№ п/п	Длительность импульса (PW), мкс	Время нарастания (TR), нс	Время спада (TF), нс
1	0,01	1	1
2	0,05	1	1
3	0,1	0,1	0,1
4	0,1	0,2	0,2
5	0,1	0,5	0,5
6	0,1	1	1
7	0,1	2	2
8	0,1	5	5
9	0,5	1	1
10	1	1	1

При моделировании изменялась длительность импульса при постоянном времени нарастания импульса и время нарастания импульса при постоянной длительности импульса. Было использовано быстрое преобразование Фурье для наглядного анализа спектров импульсов. Во всех случаях нижняя осциллограмма снимается с источника, верхняя с нагрузки.

Рис. 2.6. Осциллограмма прохождения импульса напряжения (PW=0,01мкс, TR=1нс).

Рис. 2.7. Спектральная диаграмма импульса (PW=0,01мкс, TR=1нс).

Рис. 2.8. Осциллограмма прохождения импульса напряжения (PW=0,1мкс, TR=1нс).

Рис. 2.9. Спектральная диаграмма импульса (PW=0,1мкс, TR=1нс).

Рис. 2.10. Осциллограмма прохождения импульса напряжения (PW=1мкс, TR=1нс).

Рис. 2.11. Спектральная диаграмма импульса (PW=1мкс, TR=1нс).

Было отмечено, что чем короче импульс сигнала, тем больше отличается выходной сигнал от входного. Это связано с тем, что чем короче импульс, тем шире его спектр. Высокие гармоники сильнее искажаются при прохождении импульса и вносят ощутимый вклад в искажение формы сигнала. При увеличении длительности импульса практически весь его спектр сосредоточен в области низких частот, поэтому влияние высокочастотных эффектов не будет играть столь значительную роль.

Было рассмотрено влияние времени нарастания и спада импульсов на искажение формы сигнала.

Рис. 2.12. Осциллограмма прохождения импульса напряжения (PW=0,1мкс, TR=0,1нс).

Рис. 2.13. Спектральная диаграмма импульса (PW=0,1мкс, TR=0,1нс).

Рис. 2.14. Осциллограмма прохождения импульса напряжения (PW=0,1мкс, TR=5нс).

Рис. 2.15. Спектральная диаграмма импульса (PW=0,1мкс, TR=5нс).

3. Обсуждение результатов

Программный пакет PSpice позволил создать модель пояса Роговского с учетом высокочастотных эффектов. Однако в силу специфики данной программы не представляется возможным задание зависимости сопротивления, емкости и индуктивности пояса Роговского от частоты проходящего сигнала. По этой причине и был произведен расчет влияния высокочастотных эффектов на частоте, близкой к резонансной. При таком условии мы вносим некоторые искажения в результаты моделирования. Для того, чтобы избежать этого необходимо было бы провести расчеты с помощью других программных пакетов, таких как MatLab и Mathematika. Однако расчет в этих пакетах связан с рядом трудностей и не обладает такой наглядностью результатов, которые были получены с помощью PSpice.

Pspice позволил смоделировать прохождение импульсов тока через пояс Роговского и произвести быстрое преобразование Фурье входных и выходных сигналов, что позволило анализировать их. Полученные результаты затем передавались другой группе, которая проверяла их на практике.

Заключение

Результатом проделанной работы является является моделирование работы пояса Роговского с учетом влияния скин-эффекта и эффекта близости. Была рассмотрена простая модель пояса Роговского, исследовалось влияние на нее скин-эффекта и эффекта близости.

Список литературы

1. Морозов А.Г. Электротехника, электроника и импульсная техника: Учеб. пособие для инженерно-эконом. спец. Вузов. – М.; Высш. шк., 1987. – 448 с.

2. Кузнецов М.И. Основы электротехники. Под редакцией С.В. Страхова. – М., «Высшая школа», 1964, 560 с.

3. Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс). Под ред. Е.Г. Шрамкова. Учеб. пособие для втузов, М., Высшая школа, 1972, 520 с.

4. David E. Shepard, Donald W. Yauch. AN OVERVIEW OF ROGOWSKI COIL CURRENT SENSING TECHNOLOGY.

5. Kojovic, L., PCB Rogowski Coils Benefit Relay Protection. “IEEE Computer Applications in Power”, 2002

6. Методический материал по лабораторным работам «Электричество и магнетизм», Новосибирск, 1988

7. D. A. Ward, J. La T. Exon, Using Rogowski coils for transient current measurements. “Engineering science and education journal”, june 1993.

8. Xi Nan, C. R. Sullivan. An Improved Calculation of Proximity-Eﬀect Loss in High-Frequency Windings of Round Conductors. IEEE Power Electronics Specialists Conference, June 2003, pp. 853–860.

9. Тамм И.Е. Основы теории электричества: учебное пособие для вузов. – М.; Наука. Гл. ред. Физ.-мат. лит., 1989, 504с.

10. Рэй Ридли. Потери в обмотках вследствие эффекта близости. – Современная электроника, № 6 2005.

11. http://homepage.ntlworld.com/rocoil/index.htm

12. Xi Nan, C. R. Sullivan. Simpliﬁed High-Accuracy Calculation of Eddy-Current Losses in Round-Wire Windings. IEEE Power Electronics Specialists Conference, June 2004, pp. 873–879.

13. Dartmouth Magnetic Component and Power Electronic Reseach, http://engineering.dartmouth.edu/inductor/index.shtml.

14. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А., Расчет индуктивностей: Справочная книга. – Энергоатомиздат. Л., 1986. – 488 с.

15. Хайнеман Р. Визуальное моделирование электронных схем в PSpice. – М.; ДМК Пресс, 2008. – 336 с.

Предметный указатель к реферату

PSpice, 3, 4, 5, 6, 8, 16

датчик Холла, 4

измерительный прибор, 4

измерительный трансформатор, 4

пояс Роговского, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 16, 17

скин-эффект, 3, 4, 6, 17

Скин-эффект, 7

скин-эффекта, 8

Фурье быстрое преобразование, 5, 10, 16

шунт, 4

эффект близости, 3, 4, 17

Интернет ресурсы в предметной области исследования

1. http://vac.org.by – сайт Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь. Здесь собраны все нормативные акты, касающиеся оформления и защиты диссертаций.

2. http://homepage.ntlworld.com/rocoil/index.htm – сайт крупного производителя измерительных приборов.

3. http://engineering.dartmouth.edu/inductor/index.shtml – сайт инженерной группы Дартмуского университета, занимающейся исследованиями влияния высокочастотных эффектов на измерительные приборы.

4. http://ieee.org/index.html – сайт Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (The Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE). В настоящее время в IEEE самое большое всемирное техническое общество учёных и исследователей, профессионально связанных с электротехникой, радиоэлектроникой, компьютерами.

Действующий личный сайт в WWW

http://pavel-grishin87.narod.ru

Граф научных интересов.

магистранта Гришина П.А. факультет РФиЭ

Специальность: Физическая электроника

Смежные специальности

01.04.10 - физика полупроводников, физ.-мат., техн.

1. Методы получения, измерения параметров и модификации полупроводниковых материалов (физические и технические аспекты).

2. Модификация химического состава, структуры и физических свойств полупроводниковых материалов и полупроводниковых приборов внешними воздействиями.

Основная специальность

01.04.04 – Физическая электроника

1.Электронно-лучевая электроника: теоретические и экспериментальные исследования движения заряженных частиц, электронных и ионных потоков в газовых средах, плазме и вакууме в электрических, магнитных и смешанных полях различной конфигурации. Модификация систем магнетронного распыления и создание новых электроннолучевых и газоразрядных приборов.

Сопутствующие специальности

01.04.07 - физика конденсированного состояния, физ.-мат., техн.

1. Методы получения, измерения параметров и модификации материалов (физические и технические аспекты).

2. Модификация состава, структуры и свойств материалов внешними воздействиями.

Тестовые вопросы по Основам информационных технологий

<question type="close" id="081">
<text>Гришин: Функция СУММСУММКВ() в Microsoft Excel является</text>
<answers type="request">
<answer id="1" right="0">статистической</answer>
<answer id="2" right="1">математической</answer>
<answer id="3" right="0">аналитической</answer>
<answer id="4" right="0">текстовой</answer>
</answers>
</question>

<question type="close" id="581">
<text>Гришин: Какой сайт Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь?</text>
<answers type="request">
<answer id="1" right="0">http://vak.by</answer>
<answer id="2" right="0">http://vac.org</answer>
<answer id="3" right="0">http://vak.org.by</answer>
<answer id="4" right="1"> http://vac.org.by</answer>
</answers>
</question>

Презентация магистерской диссертации

Список литературы к выпускной работе