Основні поняття та види подільників напруги

     Існують індуктивні подільники напругами (рис. 2.1, в), які можна розглядати як окремий випадок трансформатора напруги з тими ж недоліками.

     Рис. 2.1 а) резистивний дільник напруги, б) ємнісний дільник напруги, в) індуктивний дільник напруги

     У програмі Multisim 8 були змодельовані резистивний, ємнісний, індуктивний і резистивної-ємнісний подільник напруги, для дослідження впливу паразитних ємностей і власних активних і реактивних опорів. Як і передбачалося, у резистивного ПН форму вихідного сигналу спотворює паразитна ємність, на передній і задній частині фронту тим самі збільшуючи тривалість фронтів. Дослідження ємнісного і індуктивного ПН так само показало значне спотворення форми вихідного сигналу через частотну залежність реактивних опорів.

     В результаті аналізу з існуючих типів  подільників (активних, ємнісних і т.д.), при дослідженні перенапруг в ланцюгах середнього класу напруги найкращих результатів можна досягти при використанні резистивно – ємнісних подільників напруги (рис. 2.2). У яких за рахунок правильно розрахованих співвідношення величин ємностей і опорів виключається вплив паразитної ємності і власного активного опору елементів дільника. Тим самим отримуємо подільник частото компенсований, тобто опір якого не залежить від частоти сигналу, що дозволяє вимірювати перенапруження перехідних процесів при комутації навантаження вакуумними вимикачами без спотворення сигналу. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Рис. 2.2 Резистивної-ємнісний подільник напруги

2.2 Загальні відомості, конструкція та розрахунки омічного       розподільника напруги

     В даний час активно розвиваються високовольтні технології обробки  продуктів і речовин за допомогою  комплексу імпульсних впливів. Метою  обробки є мікробіологічне знезараження харчових продуктів, інших речовин, очищення газових викидів від  небажаних домішок, водопідготовка і інші.

     Завдання  вимірювання високих імпульсних напруг стоїть не тільки при випробуваннях  електротехнічного обладнання, але  і при багатьох фізичних дослідженнях, при цьому важливо знати не тільки максимальне значення, але  й точну форму імпульсу, яка  не повинна спотворюватися вимірювального ланцюга. До дільника напруги висуваються  жорсткі вимоги, щоб виключити  його вплив на джерело напруги. Особливо це необхідно при вимірах косокутних імпульсів, при наносекундних тривалостях  фронту, наприклад, у прискорювачах, іскрових камерах і багатьох інших  електрофізичних дослідних установках. Ці вимоги вдалося задовольнити тільки лише в розроблених останнім часом  конструкціях.

     Для вимірювання імпульсів напруги  в робочій камері КВІД - установки, генератор, який розглянуто в роботі [4], був розроблений дільник напруги, спрощена схема якого наведена на рис. 2.3,

     де - S - об'єкт виміру;

• Rc - узгоджувальний резистор,
• Rc = 48 Ом;
• Rн - узгоджене резистивне навантаження вимірювального кабелю, Rн = Z = 50 Ом;
• l - довжина коаксіального вимірювального кабелю;
• z - хвильовий опір кабелю,
• z = 50 Ом;
• C₁ - подовжня ємкість високовольтного плеча дільника напруги;
• C₂ - ємкість низьковольтного плеча відносно землі;
• C₃ - еквівалентна ємкість високовольтного плеча дільника відносно землі;
• L₁, L₂ - паразитні індуктивності високовольтного і низьковольтного плеча дільника відповідно;
• L_п - індуктивність під'єднання дільника до об'єкту виміру;
• ЕО – електронний осцилограф (С8-12, С8-14, С7-19).

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 2.3 – Спрощена схема дільника напруги

     Ця  схема справедлива також і  для ряду варіантів ємкісного, і  для змішаного дільника напруги  з врахуванням різної ролі його елементів  в різних варіантах.

     На  рис.2.4 приведений зовнішній вигляд дільника з вимірювальним кабелем, розміщеним в додатковому гнучкому металевому екрані ("обплетенню"). Дільник є резистивним, низькоомним. Опір R₁ його високовольтного плеча виконаний з резисторів ТВО-10 і складає R₁ = 4000 Ом, а опір низьковольтного плеча R₂ виконаний з резисторів ТВО-1 і складає R₂ = 2 Ом.

     

     Рисунок 2.4 – Дільник напруги з вимірювальним кабелем

     Коефіцієнт  ділення: 

                        К_д =

• »                          (2.1) 

К_д  » 4000.                

     Погрішність у визначенні коефіцієнта ділення  з врахуванням впливу паразитних елементів не перевищує 15 відс. при вимірі імпульсів з фронтом 5 нс. Із збільшенням тривалості фронту імпульсів погрішність виміру зменшується.

     У даному дільнику ємкості С₁ і С₂ (дивитись рис.2.3) є паразитними елементами.

     Для роботи будь-якого резистивного дільника напруги з малою погрішністю  в передачі форми вимірюваного сигналу  або повинні дотримуватися співвідношення: 

                                                      ,                                            (2.2) 

або впливом  всіх паразитних елементів можна  нехтувати. Останнє забезпечується виконанням умов: 

                             t_r > С₁R₁, C₂R₂, C₃R₁, ((L_п+L₁)/R₁, L₂/R₂),                            (2.3) 

де t_r - характерна постійна часу встановлення перехідної характеристики резистивного дільника.

     У описуваному дільнику реалізований варіант відповідно до нерівностей (2.3), оскільки, через співвідношення геометричних розмірів високовольтного і низьковольтного плеча, варіант відповідно до умов (2.2) складно здійснити практично.

     Дільник призначений для вимірів імпульсів  з тривалістю фронту не менше 5 нс. Це означає, що для вимірів з прийнятною погрішністю тривалість його перехідної характеристики tр не повинна перевищувати 1,8 нс.

     Найважче  здійснимим з умов (2.3) є: 

                                                           t_r > C_зR₁                                                                                (2.4) 

із-за досить високої ємкості одиниці довжини  дільника C₃ відносно землі в порівнянні з питомою подовжньою ємкістю.

     Низьковольтне плече дільника екрановане за допомогою  розміщення його в металевому корпусі  циліндрової форми. За рахунок виконання  дільника коротким (його довжина l_д » 0,23 м) і тонким (характерний поперечний розмір складає менше 0,01 м) з екранованим низьковольтним плечем його ємкість відносно землі можна оцінити в  C_з » 0,2 пФ. Тоді t_р » 2,2t_r = 2,2•0,2•10^-12•4•10³ = 1,76•10^-9 с.

     Відмінною рисою даного дільника є досить довгий вимірювальний кабель (довжиною l_ик ³ 10 м). Кабель такої довжини може внести істотну добавку до загальної тривалості перехідної характеристики дільника напруги [5]. Для зменшення цієї добавки як вимірник слід вибирати кабель типа РК з мінімальним загасанням (діаметр ізоляції не менше 4 мм).

     Згідно (2.3) дільник неістотно впливає на вимірюваний імпульс, якщо імпеданс об'єкту виміру не перевищує 1000 Ом.

     Використання  однотипних резисторів ТВО у високовольтному  і низьковольтному плечах дільника зменшують погрішність вимірів  при нагріві дільника в процесі  вимірів. При цьому слід врахувати, що резистори високовольтного плеча  дільника нагріваються більше, ніж  резистори в низьковольтному  плечі. Допустимий час роботи дільника без перегріву при частоті  дотримання імпульсів (з характерною  тривалістю 1 мкс) 200 Гц і їх амплітуді 100 кВ не перевищує 10 хвилин. На рис. 2.5-а. і рис. 2.5-б. представлені типові осцилограми імпульсів напруга, отримані за допомогою розглянутого дільника, на робочій камері, заповненою водопровідною водою, установки, описаної в [4]. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

а 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

б

Рисунок 2.5 – Типові осцилограми імпульсів напруги

     2.3 Модернізований варіант розподільника напруги

     Модернізований  варіант представленого дільника був  застосований для виміру імпульсів  напруги на робочій камері КВІД-установки, в якій (камері) обидва крайні електроди  мають високий (по різній полярності) потенціал відносно землі. Схема  вимірів за допомогою модернізованого  дільника представлена на рис.1.4, де – R₃ » R₁ = 4 кОм; C₃ » C₁; L₃ » L₁; S – об'єкт виміру, навантаження з високовольтними виводами різної полярності. Останні позначення відповідають позначенням на рис. 2.3.

     Індуктивність L_п (див. рис.2.3) на рис. 2.6 не показана, оскільки завдяки наявності R₃ резистори R₁ і R₃ підключаються до високовольтних виводів навантаження безіндуктивно. 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 2.6 – Схема вимірів за допомогою модернізованого розподільника

     Модернізований  резистивний дільник виконаний  із заземленою середньою точкою. Його коефіцієнт ділення з урахуванням  того, що R₁ = R₃ складає: 

                                                           К_дм »

.                                             (2.5) 

К_дм » 8000.

     Відмінною рисою дільника, схема якого представлена на рис. 2.6, є те, що збільшення опору його високовольтного плеча з 4000 Ом до 8000 Ом (в порівнянні з резистивним дільником, розглянутим першим (див. рис.2.3)) не приводить до збільшення часу наростання його перехідної характеристики, оскільки результуюча ємкість високовольтного плеча (R₁ і R₃) дільника на землю зменшується вдвічі (порівняй схеми на рис. 2.3 і рис. 2.6).

     Опір  R₃ також, як і R₁ виконаний з резисторів типа ТВО.

     2.4 Екранований дільник напруги

     На  рис. 2.7 представлена електрична схема екранованого дільника напруги з низьким вхідним опором (75 Ом або 50 Ом). Фотографія цього дільника представлена на рис.  2.8.

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 2.7 – Електрична схема екранованого дільника напруги з низьким вхідним опором

Рисунок 2.8 – Фотографія екранованого дільника напруги з низьким вхідним опором

     Вхідний опір екранованого резистивного дільника з одного боку складає R''_вх = R₁ + R₁ = 50 Ом, а з іншого боку – R"_вх = R₅ + R₄ » 75 Ом. Якщо вимірюваний сигнал подається на вхід з R''_вх, а до виходу дільника (тобто до R"_вх ) підключений реєструючий осцилограф через вимірювальний коаксіальний кабель, хвилевий опір якого рівний R"_вх і вхідному опору осцилографа, тоді коефіцієнт ділення екранованого резистивного дільника з врахуванням кабелю і вхідного опори осцилографа складе: