CC BY
88
Воронов А.П., Январев Д.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ДЕЛИТЕЛЕЙ В ПРОГРАММЕ WORKBENCH
Вопросы точности, достоверности, повторяемости результатов измерений высоких быстро изменяющихся (до 12 0 МГц) по амплитуде напряжений актуальны как в производстве высоковольтных вакуумных приборов (вакуумные выключатели, переключатели и др.), так и при подтверждении соответствия этих приборов заданному техническому уровню. Особенно это становиться заметно при измерении амплитуд напряжений переменного тока на частотах выше 60 МГц, где отсутствуют средства измерений, а на результат влияет распределение электромагнитного поля, окружающего первичный преобразователь [1]. Разработка таких преобразователей, в частности высоковольтных высокочастотных вакуумных емкостных делителей напряжений (ВЕДН), сопровождается физическим и математическим моделированием. Однако физическое моделирование связано с большими материальными затратами (высокая стоимость макетных образцов и их исследований на высоком напряжении, необходимость изготовления большого количества отличающихся конструктивно друг от друга образцов для получения информации о влиянии элементов конструкции на характеристики ВЕДН и т.д.). Поэтому возникла необходимость в математическом моделировании с использованием средств и методов вычислительной техники, позволяющих анализировать конструкции ВЕДН и их работу в условиях эксплуатации на минимальном количестве образцов и минимальном использовании высоковольтного высокочастотного испытательного и измерительного оборудования.
Для решения поставленной задачи воспользуемся моделирующей программой Electronics Workbench и результатами измерений параметров и характеристик четырехполюсника K, выделенного на рисунке 1 пунктирной линией. Программа Electronics Workbench предназначена для схематического представления и моделирования аналоговых, цифровых и аналогово-цифровых цепей. Пакет включает в себя средства редактирования, моделирования и виртуальные инструменты тестирования электрических схем, а также дополнительные средства анализа моделей. Четырехполюсник образован тройниковым переходом Т, цилиндрическим металлическим экраном Э и вакуумным емкостным делителем напряжения Д и имеет П-образную схему замещения. Причем продольное реактивное сопротивление в схеме замещения образует проходная емкость С1 емкостного делителя напряжения, а поперечные реактивные сопротивления выходная емкость С2, входная емкость С3 и дополнительная емкость С4, создаваемая центральным проводником и цилиндрическим экраном и включенная параллельно емкости С3.
Схема измерения АЧХ коэффициента передачи ВЕДН приведена на рисунке 1. В качестве средств измерения амплитуды входного и выходного напряжения V1, V2 использовался милливольтметр типа В3-52/1. Измеряемое напряжение создавалось высокочастотным генератором Г (прибор для поверки вольтметров В1-6 и генератор сигналов высокочастотных Г4-107).
Рисунок 1. Схема измерения АЧХ высокочастотного делителя напряжения
Относительные отклонения коэффициента передачи 5 К для различных частот относительно коэффициента передачи на частоте
f = 16 МГц приведены в таблице.
Измерение модулей полных сопротивлений четырехполюсника (К) со стороны входа (выхода) при разомкнутом выходе (входе) производилось с помощью измерителя импеданса типа ВМ 53 8. Измерительный прибор последовательно подключался к входу (выходу) четырехполюсника. Показания прибора - импеданс и
угол сдвига ф между напряжением и током - фиксировались. В рассматриваемой области частот ф = -90° , что свидетельствует о емкостном характере измеряемой цепи. Поэтому импеданс соответствовал модулю полного входного |Е1| (выходного |Е2|) сопротивления. Результаты измерений приведены в таблице.
Измерение емкостей С1, С2, С3 и С4 осуществлялось с помощью моста переменного тока Р507 9. Значения емкостей указаны на рисунке 3.
_____Таблица______________________________________________________________________________________
Рабочая частота, ^ МГц 0.5 1 16 30 120
Модуль полного входного сопротивления, ^1|, Ом 20000 9800 600 300 -
Модуль полного выходного сопротивления, ^2|, Ом 7000 3100 215 110 -
Относительное отклонение коэффициента передачи, 5К, % — 7 — б 0 1 20
Используя библиотеку пассивных компонентов программы Electronics Workbench, составим на рабочем поле программы эквивалентную схему из конденсаторов согласно рисунку 1.
Дополнительно вынесем на рабочее поле программы иконки контрольно измерительных приборов и подключим их к эквивалентной схеме как показано на рисунке 2.
С целью упрощения и большей наглядности эквивалентная схема изображена на рисунке 2 четырехполюсником (К). Результаты расчетов показываются на измерителе АЧХ (плоттер) при включении выключателя, расположенного в правом верхнем углу рабочего поля программы.
Входной (выходной) импеданс определяется как обратная величина коэффициента передачи, зафиксированная плоттером на заданной частоте. Для учета влияния входного сопротивления при расчетах АЧХ в схему (рисунок 2б) вводится RC-цепочка, имитирующая входной импеданс милливольтметра ВЗ-52/1.
а) б)
Рисунок 2. Схемы подключения приборов к моделируемой схеме, замещаемой четырехполюсником (К) а - схема измерения входного (выходного) импеданса четырехполюсника (К) ; б - схема измерения АЧХ четырехполюсника (К).
Руководствуясь результатами показаний плоттера, изменим схему. Повторим описанную процедуру до совпадения показаний плоттера с табличными значениями.
Результаты моделирования представлены на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема замещения делителя напряжения вставленного в цилиндрический экран, представленная на экране монитора программой «Workbench».
Приведены данные результатов измерений на различных частотах входного (выходного) импеданса и относительное отклонение коэффициента передачи системы.
Предложен порядок построения модели ВЕДН включающий:
- измерения АЧХ и входного (выходного) импеданса макетного образца ВЕДН;
- составление простейшей эквивалентной схемы ВЕДН на рабочем поле программы Electronics Workbench и проведение расчетов;
- введение по результатам расчетов в эквивалентную схему дополнительных элементов (индуктивности, активного сопротивления);
- проведение повторных расчетов для различных значений индуктивностей и активных сопротивлений;
- формирование окончательной эквивалентной схемы ВЕДН из элементов, значения которых обеспечивают наилучшее совпадение расчетных данных с результатами измерений.
Применение данной процедуры позволило создать модель измерительного преобразователя в программной среде Electronics Workbench и оценить динамические характеристики схемы в области высоких частот.
ЛИТЕРАТУРА
Смирнов Э. Н., Воронов А. П., Купцова З. И. Электронная промышленность. - 198 6 - № 2. - С. 31.
Карлащук В. И. Электронная лаборатория на IBM PC. Лабораторный практикум на базе Electronics Workbench и Matlab. - Солон-Пресс, 2004.
