POLITECHNIKA LUBELSKA WYDIAŁ ELEKTROTECHNIKI I INFORMATYKI KATEDRA URĄDEŃ ELEKTRYCNYCH I TWN LABORATORIUM TECHNIKI WYSOKICH NAPIĘĆ Ćw. nr 7 Badanie przebiegów falowych w liniach długich Grupa dziekańska... Data wykonania ćwiczenia... Godzina wykonania ćwiczenia... Grupa laboratoryjna........... 3.... 4.... Lublin 006
. Cel ćwiczenia apoznanie się ze zjawiskami falowymi występującymi w liniach długich.. Wprowadzenie Fala, która biegnie wzdłuż linii charakteryzującej się impedancją falową po dojściu do węzła A, gdzie dołączona jest linia o impedancji falowej ulega odbiciu i przepuszczeniu. Fala poruszająca się wzdłuż linii nazywa się falą padającą (u ), natomiast fala pojawiająca się w linii to fala przepuszczona (u ). Fala odbita (u ) od węzła A biegnie od punktu A do początku linii. Poniższe równania przedstawiają związek pomiędzy prądami i napięciami wszystkich fal składowych: Rys.. Przejście fali przy trafieniu na węzeł A u i u u' u u' i i' i i' Po odpowiednim przekształceniu powyższych wzorów otrzymujemy: u u' u α α - współczynnik przepuszczania fali z linii o impedancji na linię o impedancji stąd a ogólnie α u u ' u' β β α β gdzie: β - współczynnik odbicia fali padającej z linii o impedancji na linię o impedancji
3. Sposób przeprowadzenia pomiarów 3. Przygotowanie do przeprowadzenia pomiarów Parametry linii modelowej: - impedancja falowa 0 500Ω - prędkość fazowa ν 300m/µs - długość l 0,345km - indukcyjność jednostkowa L 0,667mH/km - pojemność jednostkowa C 0 6,667nF/km - czas przejścia fali przez linię t 0,5µs!!! 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.. Panel oscyloskopu z odpowiednimi ustawieniami 3
3. 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 P (rys. 3). 3,3nF 00Ω 450Ω kω,5kω kω 0,6mH 50Ω 00Ω 50Ω 500Ω kω,5kω kω Rys. 3. Płyta czołowa modelu linii długiej W tym celu należy zewrzeć zworą gniazda i 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 P 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 t 0 od U do wartości U. Spowodowane jest to tym, że fala potrzebuje czasu t 0 aby pokonać długość linii dwukrotnie. Napięcie na wyjściu ma kształt prostokątny o amplitudzie U (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
450Ω, co łącznie z rezystancją wyjściową 50Ω generatora daje sumarycznie ok. 500Ω. Stąd impedancja falowa linii: c 50Ω 450Ω 500Ω Rys. 4. Dopasowanie falowe na wejściu linii Drugiej obserwacji dokonujemy przy niezmienionej nastawie P i dołączonej rezystancji regulowanej P na końcu linii (zwieramy dodatkowo gniazda 7 i 0). Następnie regulujemy potencjometrem P 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 t 0 przejścia fali przez linię wykorzystuje się układ z punktu poprzedniego. Na oscyloskopie i z pomocą rys. 5, odczytujemy czas t, po którym napięcie na wejściu wzrasta od U do U (linia otwarta na końcu). Rys. 5. Sposób pomiaru czasów przejścia fali przez linię i poszczególnych napięć, gdzie u amplituda fali padającej, u amplituda fali odbitej, u amplituda fali przepuszczonej 5
Czas przejścia t 0 wynosi: t t,µ s 0 Współczynnik przepuszczenia i odbicia fali na końcu linii wynoszą: α, ogólnie β α powyższego przykładu widać, że fala przebiega linię w czasie t 0, odbija się od jej końca z takim samym znakiem i po czasie t 0 od chwili odbicia (czyli t 0 od momentu trafienia na linię) powraca na początek linii. Tutaj sumuje się z falą pierwotną dając napięcie o wartości u. 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 C. Dlatego do końca linii modelowej zamiast linii o impedancji falowej dołącza się rezystor R. Przy wartości 50Ω450Ω500Ω (zwora w pozycji i 5, co zapewnia dopasowanie rezystancji wejścia linii do generatora) należy obserwować przebiegi napięcia na wejściu i wyjściu linii dla następujących wartości :,5kΩ (zwora w pozycji 7 i ) 500Ω (zwora w pozycji 7 i 3) 50Ω (zwora w pozycji 7 i 6) 4. Opracowanie wyników pomiarów Dla każdego z powyższych przypadków należy zarejestrować na dyskietce otrzymane przebiegi oraz na podstawie znajomości wartości i oraz u, obliczyć α i β, a następnie wartości u fali odbitej i u fali przepuszczonej. 5. Opracowanie sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: schematy układów pomiarowych; zestawienie tabelaryczne wyników przeprowadzonych pomiarów; przykładowe obliczenia; 6
przebiegi napięć dla poszczególnych przypadków (zrzuty) uwagi i wnioski odnośnie warunków i sposobu przeprowadzania badań oraz dyskusję nad otrzymanymi wynikami. 6. Literatura. L. Kacejko, Cz. Karwat, H. Wójcik: Laboratorium techniki wysokich napięć, WPL Lublin. M.A. Babikow, N.S. Komarow, A.S. Siergiejew: Technika Wysokich Napięć, WNT Warszawa 3. S. Szpor: Technika wysokich napięć, WNT Warszawa 4.. Flisowski: Technika wysokich napięć, WNT Warszawa 5.. Gacek: Technika wysokich napięć, WPŚ Gliwice 6.. Gacek: Wysokonapięciowa technika izolacyjna, WPŚ Gliwice 7