Для оборудования 3

Измерения больших импульсных токов
Наиболее распространенный способ измерения больших импульсных токов основан на измерении падения напряжения на малом активном сопротивлении, называемом шунтом тока. Схема измеренния тока
с помощью шунта приведена на рис. 23.23. Для того чтобы исключить
многократное отражение волн на концах кабеля, его замыкают на резистор R1, сопротивление которого равно волновому сопротивлению
кабеля.
Если предположить, что сопротивление шунта чисто активное, то падение напряжения на нем прямо пропорционально току:
u(t) = Rш i(t).
В действительности вокруг шунта имеются электромагнитное и электрическое
поля,
которые
могут
быть
учтены
включением
в
эквивалентную схему шунта паразитных индуктивности и емкости.
Влияние такой емкости, включенной параллельно резистору Rш с малым
сопротивлением, незначительно, а учет индуктивности L производится
ее включением в эквивалентную схему последовательно с Rш (рис.
23.24). В этом случае падение напряжения на шунте
U(t)=UR(t) + UL(t)= Rш i(t) + L di(t)/dt,
причем индуктивная составляющая напряжения на шунте тем больше,
чем выше скорость изменения тока. Этой составляющей обычно пренебрегают, если ωL < 0,05R, где ω- эквивалентная частота фронта импульса.
Рис. 23.23. Схема измерения
импульсных
токов с помощью низкоомного шунта тока
Рис. 23.24.Эквивалентная
схема шунта тока
Составляющая Ldi(t)/dt обусловливает ошибку при измерении максимального значения тока, а также создает фазовый сдвиг между током,
протекающим через шунт, и напряжением на нем. Поэтому шунты тока
стремятся изготовить так, чтобы обеспечить возможно меньшую их индуктивность. Наиболее простыми являются бифилярные конструкции шунтов,
одна из которых приведена на рис. 23.25.
Рис. 23.25. Конструкция бифилярного шунта
Шунт содержит бифилярно сложенные ленты 1 из металла с высоким
удельным сопротивлением, коаксиальный вывод 2, для подключения измерительного кабеля и контактные площадки 3, для включения его в токовую цепь.
Недостатком бифилярной конструкции шунтов является их заметная
индуктивность, поскольку петля, образованная шунтом и подвозящими
измерительными проводниками, пронизывается магнитным потоком, связанным с измеряемым током. Для уменьшения индуктивности шунта, что
особенно важно при измерении быстро изменяющихся токов, переходят к
коаксиальным шунтам (рис. 23.26). Основное достоинство этого шунта
состоит в том, что собственные магнитное и электрическое поля шунта
сосредоточены в пространстве между внутренней 1 и наружной 2 трубками.
Измеряемый ток / поступает на внутреннюю трубку 1, выполненную из
материала с высоким удельным сопротивлением. Отвод тока осуществляется по внешнему цилиндру 2 из хорошо проводящего материала (медь,
бронза). Так как внутри и снаружи бифилярного трубчатого шунта напряженность магнитного поля равна нулю, то магнитная связь между
резистивной частью шунта и внешними магнитными полями помех практически отсутствует. Кроме того, использование токоподводов 3 и 4 и потенциального вывода 5 коаксиального типа устраняет магнитную связь
между ними. Напряжение с шунта снимается с выводов 5 и 6.
Рис. 23.26. Конструкция коаксиального шунта
Для измерения больших импульсных токов широко применяются также
воздушный трансформатор тока, часто называемый поясом Роговского.
Пояс Роговского представляет собой тороидальную катушку, которая
охватывает провод основного контура. Протекающий по этому проводу ток
создает электромагнитное поле, силовые линии которого пронизывают
витки катушки. Если пренебречь диаметром витка катушки по сравнению с
расстоянием от его центра до токоведущего провода, то можно считать, что
напряженность магнитного поля постоянна для всех точек в площади
витка. При этом магнитный поток через сечение витка S (рис. 23.27) равен
Ф = µ0HS cosα,
где α - угол между вектором Н и нормалью к сечению S.
Потокосцепление с витками пояса Роговского
Ψ1= µ0S(w/l)  Hcos  dl ,
где w - число витков пояса; l - длина средней линии, м.
По закону полного тока
 H cos dl  i1 ,
где i1 - измеряемый ток, за-
ключенный внутри контура интегрирования.
Тогда
Ψ1=µ0S(w/l)i1.
H
S
Рис. 23.27. Эскиз расположения пояса Роговского
При разомкнутом поясе напряжение на его выводах, индуктируемое
потокосцеплением Ψ1, пропорционально производной измеряемого тока
u(t) ~ di1/dt. При замыкании выводов пояса накоротко в витках возникает
ток i2, который создает потокосцепление самоиндукции Ψ2 = Li2, где L -
индуктивность пояса. Поток, образованный током i2, уравновешивает поток, создаваемый измеряемый током i1, поэтому
Li2 = µ0 S(w/l) i1.
Поскольку диаметр пояса значительно больше диаметра витка, индуктивность пояса может быть рассчитана как индуктивность цилиндрической
катушки длиной l:
L  0 S ( w 2 l ) .
Тогда
i1 = w i2,
т. е., измеряя ток в обмотке пояса Роговского, можно определить ток в
проводе главной цепи, охватываемом этим поясом.
Для измерения тока в витках пояса Роговского его выводы замыкают на
резистор с малым сопротивлением Rш, являющийся шунтом тока (рис.
23.28), причем условие ωL»Rш должно соблюдаться для всех частот измеряемого тока.
Можно также определить ток i1, интегрируя с помощью пассивной RC цепи напряжение, снимаемое с разомкнутых выводов пояса (рис. 23.29).
Рис. 23.28. Схема включения пояса с использованием шунта тока
Рис. 23.29. Схема включения пояса с интегрирующей цепочкой.
При большой величине сопротивления резистора R можно пренебречь
индуктивностью пояса L и влиянием волнового сопротивления кабеля ZK.
Тогда
U = UR + UC = i2R + UC;
i2 = CdUC/dt
При большом значении RC можно пренебречь величиной ис по сравнению с uR:
После интегрирования напряжение, снимаемое с емкости С и подаваемое
на вход осциллографа, будет определено по формуле:
t
UC 
1
Udt .
RC 
0
(23.2)
Поскольку напряжение на выводах пояса Роговского составляет
Mdi1/dt
(M — взаимная индуктивность между поясом и проводом с
измеряемым током), из (23.2) получаем:
ис = (M/RC) i1.
Учитывая, что для пояса Роговского М  L/w, величина измеряемого
тока
i1 = ucRC(w/L).
При использовании интегрирующей RC - цепи верхняя граница частот
измеряемых токов определяется из условия: ωвL<<ZK, а нижняя - из выражения 1/ωнC«R.
Для уменьшения влияния на измерительную цепь внешних полей один
конец обмотки пояса пропускают в обратном направлении по осям витков.