TWN LABORATORIUM TECHNIKI WYSOKICH NAPIĘĆ Badanie

POLITECHNIKA LUBELSKA
WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI
KATEDRA URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH I TWN
LABORATORIUM TECHNIKI WYSOKICH NAPIĘĆ
Ćw. nr 17
Badanie przebiegów falowych w liniach długich
Grupa dziekańska ....................
Data wykonania ćwiczenia .....................
Godzina wykonania ćwiczenia ................
Grupa laboratoryjna .................
1. ..............................................
2. ..............................................
3. ..............................................
4. ..............................................
Lublin 2006
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć – Ćw. 17. Badanie przebiegów falowych w liniach długich
1. Cel ćwiczenia
Zapoznanie się ze zjawiskami falowymi występującymi w liniach długich.
2. Wprowadzenie
Fala, która biegnie wzdłuż linii 1 charakteryzującej się impedancją falową Z1 po dojściu
do węzła A, gdzie dołączona jest linia 2 o impedancji falowej Z2 ulega odbiciu i przepuszczeniu.
Fala poruszająca się wzdłuż linii 1 nazywa się falą padającą (u1), natomiast fala pojawiająca się
w linii 2 to fala przepuszczona (u2). Fala odbita (u’1) od węzła A biegnie od punktu A do
początku linii. Poniższe równania przedstawiają związek pomiędzy prądami i napięciami
wszystkich fal składowych:
Rys. 1. Przejście fali przy trafieniu na węzeł A
u = u + u'
i = i + i'
u =i ∗Z
u ' = − i' ∗ Z
2
1
2
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Po odpowiednim przekształceniu powyższych wzorów otrzymujemy:
2
2Z
Z +Z
2
u = u'
1
1
= u1α 12
2
α - współczynnik przepuszczania fali z linii o impedancji Z1 na linię o impedancji Z2
2Z
Z +Z
Z −Z = β
=
u u' +
u'
Z Z
α
12
2
=
1
2
2
2
1
1
2
=
Z −Z
Z +Z
1
1
21
stąd
β
21
2
1
1
2
a ogólnie
α =1 + β
gdzie: β - współczynnik odbicia fali padającej z linii o impedancji Z1 na linię o impedancji Z2
2
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć – Ćw. 17. Badanie przebiegów falowych w liniach długich
3. Sposób przeprowadzenia pomiarów
3.1
Przygotowanie do przeprowadzenia pomiarów
Parametry linii modelowej:
- impedancja falowa
Z0 = 500Ω
- prędkość fazowa
ν = 300m/µs
- długość
l = 0,345km
- indukcyjność jednostkowa
L0 = 1,667mH/km
- pojemność jednostkowa
C0 = 6,667nF/km
- czas przejścia fali przez linię
t0 = 1,15µs
!!! Uwaga !!!
Na zajęcie laboratoryjne grupa ćwicząca jest zobowiązana do przyniesienia dyskietki
3,5 cala.
Uruchomić program korzystając ze skrótu umieszczonego na pulpicie, a następnie ustawić
oscyloskop zgodnie z poniższym rysunkiem:
Rys. 2. Panel oscyloskopu z odpowiednimi ustawieniami
3
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć – Ćw. 17. Badanie przebiegów falowych w liniach długich
3.2
Wyznaczenie impedancji falowej
Wiedząc, że przy dopasowaniu falowym nie mają miejsca odbicia fal na początku linii,
można wyznaczyć impedancję falową linii długiej. W tym celu należy dokonać szeregu
obserwacji i pomiarów. Pierwszej obserwacji przebiegu napięcia należy dokonać na wejściu linii
zasilanej napięciem prostokątnym przy jej otwartym końcu jednoczesnej regulacji rezystancji na
wejściu przy pomocy potencjometru P1 (rys. 3).
3,3nF
100Ω
50Ω
0,6mH
450Ω
1kΩ
100Ω
250Ω
2,5kΩ
500Ω
1kΩ
1kΩ
2,5kΩ
1kΩ
Rys. 3. Płyta czołowa modelu linii długiej
W tym celu należy zewrzeć zworą gniazda 2 i 1 rezystancji wejściowej oraz gniazda 8 i 7 przy
rozwartych gniazdach rezystancji na wyjściu. W generatorze GFP ustawić:
•
napięcie wyjściowe na poziomie ok. 0,5V
•
częstotliwość ok. 50kHz
Regulować rezystancję P1 do momentu zniknięcia „ząbków”, wówczas przebieg uzyska
kształt prostokątny i wystąpi dopasowanie falowe na wejściu linii. Fala pierwotna przechodzi
przez początek linii bez odbić, dobiegając do końca linii odbija się ze znakiem „+”. Napięcie na
wejściu wzrasta po czasie 2t0 od U do wartości 2U. Spowodowane jest to tym, że fala potrzebuje
czasu 2t0 aby pokonać długość linii dwukrotnie. Napięcie na wyjściu ma kształt prostokątny
o amplitudzie 2U (rys. 4).
Po uzyskaniu przebiegu jak na rys. 4, odłączamy przewód wejściowy do generatora i przy
pomocy miernika dokonujemy pomiaru rezystancji na wejściu linii, która powinna wynosić ok.
4
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć – Ćw. 17. Badanie przebiegów falowych w liniach długich
450Ω, co łącznie z rezystancją wyjściową 50Ω generatora daje sumarycznie ok. 500Ω. Stąd
impedancja falowa linii: Zc = 50Ω + 450Ω = 500Ω
Rys. 4. Dopasowanie falowe na wejściu linii
Drugiej obserwacji dokonujemy przy niezmienionej nastawie P1 i dołączonej rezystancji
regulowanej P2 na końcu linii (zwieramy dodatkowo gniazda 7 i 10). Następnie regulujemy
potencjometrem P2 do momentu, kiedy przebiegi na wejściu i wyjściu będą prostokątne o takiej
samej amplitudzie. Uzyskamy wówczas dopasowanie falowe na wejściu oraz wyjściu linii, a co
się z tym wiąże – nie zachodzą odbicia fal.
Należy teraz odłączyć generator GFP i dokonać pomiaru rezystancji na wyjściu linii.
Powinna ona wynosić ok. 500Ω.
3.3
Pomiar czasu przejścia fali przez linię
Dla określenia czasu t0 przejścia fali przez linię wykorzystuje się układ z punktu
poprzedniego. Na oscyloskopie i z pomocą rys. 5, odczytujemy czas t1, po którym napięcie na
wejściu wzrasta od U do 2U (linia otwarta na końcu).
Rys. 5. Sposób pomiaru czasów przejścia fali przez linię i poszczególnych napięć, gdzie u1 – amplituda
fali padającej, u’1 – amplituda fali odbitej, u2 – amplituda fali przepuszczonej
5
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć – Ćw. 17. Badanie przebiegów falowych w liniach długich
Czas przejścia t0 wynosi:
t
0
1
≈ 1,2 µs
2 t1
=
Współczynnik przepuszczenia i odbicia fali na końcu linii wynoszą:
α
12
=
2Z
Z +Z
=2 ,
2
1
ogólnie
β = α −1 = 1
2
Z powyższego przykładu widać, że fala przebiega linię w czasie t0, odbija się od jej końca
z takim samym znakiem i po czasie t0 od chwili odbicia (czyli 2t0 od momentu trafienia na linię)
powraca na początek linii. Tutaj sumuje się z falą pierwotną dając napięcie o wartości 2u.
3.4
Przejście fali prostokątnej przez punkt łączący dwie linie o różnych
impedancjach falowych
W punkcie tym wykorzystano równoważność impedancji falowej z opornością skupioną
R = ZC. Dlatego do końca linii modelowej zamiast linii o impedancji falowej Z2 dołącza się
rezystor R2 = Z2.
Przy wartości Z1=50Ω+450Ω=500Ω (zwora w pozycji 1 i 5, co zapewnia dopasowanie
rezystancji wejścia linii do generatora) należy obserwować przebiegi napięcia na wejściu
i wyjściu linii dla następujących wartości Z2:
•
Z2=2,5kΩ (zwora w pozycji 7 i 11)
•
Z2=500Ω (zwora w pozycji 7 i 13)
•
Z2=50Ω (zwora w pozycji 7 i 16)
4. Opracowanie wyników pomiarów
Dla każdego z powyższych przypadków należy zarejestrować na dyskietce otrzymane
przebiegi oraz na podstawie znajomości wartości Z1 i Z2 oraz u1, obliczyć α i β, a następnie
wartości u’1 fali odbitej i u2 fali przepuszczonej.
5. Opracowanie sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
• schematy układów pomiarowych;
• zestawienie tabelaryczne wyników przeprowadzonych pomiarów;
• przykładowe obliczenia;
6
Laboratorium Techniki Wysokich Napięć – Ćw. 17. Badanie przebiegów falowych w liniach długich
• przebiegi napięć dla poszczególnych przypadków (zrzuty)
• uwagi i wnioski odnośnie warunków i sposobu przeprowadzania badań oraz dyskusję nad
otrzymanymi wynikami.
6. Literatura
1. L. Kacejko, Cz. Karwat, H. Wójcik: Laboratorium techniki wysokich napięć, WPL
Lublin
2. M.A. Babikow, N.S. Komarow, A.S. Siergiejew: Technika Wysokich Napięć, WNT
Warszawa
3. S. Szpor: Technika wysokich napięć, WNT Warszawa
4. Z. Flisowski: Technika wysokich napięć, WNT Warszawa
5. Z. Gacek: Technika wysokich napięć, WPŚ Gliwice
6. Z. Gacek: Wysokonapięciowa technika izolacyjna, WPŚ Gliwice
7