книги / Элементы и устройства систем низких и сверхвысоких частот
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Саратовский государственный технический университет
ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА СИСТЕМ НИЗКИХ
И СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
Межвузовский научный сборник
2004
УДК 62L372.:621.373:621.356
В сборнике излагаются результаты теоретических и экспе риментальных работ в области исследования, оптимизации и проектирования функциональных устройств и систем низких и Сверхвысоких частот, находящие применение в различных облас тях техники.
Для работников научных учреждений, в.у(зов и инженеровразработчиков соответствующих направлений, может быть поле зен аспирантам и студентам старших курсов электронных, радио технических и энергетических специальностей.
Редакционная коллегия:
канд. техн. наук, профJВ.А. Сосунов](отв. редактор), доктор техн. наук, проф. Б.К. Сивяков (зам. отв. редактора), доктор техн. наук, проф. Ю.С. Архангельский,
доктор физ.-мат. наук, проф. А.М. Кац, доктор техн. наук, проф. М.А. Фурсаев, канд. техн. наук А.В. Цыганков (секретарь)
Одобрено редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета
ISBN 5-7433-1331-8 |
© Саратовский государственный |
|
технический университет, 2004 |
24 сентября 2004 г. на 72-м году жизни скоропо стижно скончался профессор кафедры "Электротехника и электроника” Саратовского государственного техниче ского университета (СГТУ), профессор, кандидат тех нических наук, дважды лауреат премии правительства Российской Федерации 1997 и 2002 годов, лауреат пре мии Госкомоборонпрома России 1995 года, Почетный ра дист СССР, ответственный редактор ежегодного межву зовского научного сборника "Функциональные системы и устройства низких и сверхвысоких частот" Владимир Александрович Сосунов.
Владимир Александрович родился 13 сентября 1933 года в г. Караганде. В 1956 году окончил физический факультет Саратовского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского. После окончания работал инже нером, начальником отдела Центрального научноисследовательского института измерительной техники (ЦНИИИА) в г. Саратове. В 1967 году защитил кандидат скую диссертацию. С 1973 года работает в СГТУ доцен том, с 1989 по 1998 год - заведующим кафедрой "Теоре тические основы электротехники”, а с 1998 года про фессором кафедры "Электротехника и электроника".
Профессор В.А. Сосунов был известным ученым в об ласти технической электродинамики и устройств сверх высоких частот, автором более 180 публикаций, 32 изо бретений и 2 патентов, академиком Российской академии естественных наук и Международной академии наук о природе и обществе, ученым секретарем докторского диссертационного совета по электронике и СВЧ устрой ствам, членом совета энергетического факультета, на учным руководителем научно-исследователь ской лабора тории "Техническая электродинамика и устройства СВЧ".
Как |
профессор технического |
университета, он воспитал |
не |
одно поколение инженеров, |
под его руководством вы |
полнено 7 кандидатских диссертаций. Настоящий сборник подготовлен и отредактирован В.А. Сосуновым.
Светлая память о профессоре В.А. Сосунове навсе гда останется в сердцах преподавателей, сотрудников и студентов университета..
Редакционная коллегия
В последние годы значительно расширились области применения сверхвысокочастотной (СВЧ) техники. Помимо традиционных применений, связанных с радиолокационны ми станциями гражданского назначения, системами ра диоэлектронного противодействия, аналоговыми система ми связи, появились цифровые, локальные и распреде ленные системы, связи, мобильные телефоны, разнообраз ные устройства и системы применения СВЧ энергии для интенсификации технологических процессов, а также другие функциональные устройства и системы, в том числе и на относительно низких частотах. Удовлетво
рить комплексу современных |
требований, предъявляемых |
к ним, возможно лишь при |
условии развития теории, |
математических моделей и методов автоматизированного проектирования, а также проведения всестороннего ис следования их свойств.
Большой вклад в это развитие вносит стремительно прогрессирующие вычислительная техника и системы ма тематического моделирования. Их применение способст вует постоянному росту параметров вновь разрабатывае
мых |
устройств и систем, сокращает сроки |
проектирова |
ния |
и материальные затраты на разработку, |
способству |
ет наиболее полному раскрытию творческих способностей проектировщиков.
Перечисленные направления исследований и некото рые, близкие к ним, нашли отражение в предлагаемом вниманию сборнике научных работ, выполненных специа листами вузов и научно-исследовательских учреждений разных научных школ г. Саратова, Воронежа и других городов России.
УДК 621.314.58 |
И.И.Артюхов |
|
С.Ф.Степанов |
В .В .Иванова А .Д .Тютьманов М.В.Жабский
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ БЛОКОВ ПИТАНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ЗВЕНОМ ПОВЫШЕННОЙ
ЧАСТОТЫ НА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В |
большинстве случаев блоки питания (БП) |
современ |
||
ной |
электронной |
техники |
(компьютеров, |
мониторов, |
принтеров, модемов, |
телевизоров, видеомагнитофонов и |
|||
др.) |
выполняются по схеме |
с бестрансформаторным вхо |
||
дом, в которой напряжение питающей сети поступает на однофазный двухполупериодный выпрямитель с емкостным фильтром. Последующее преобразование энергии происхо дит на частоте 20 кГц и выше, что позволяет сущест венно уменьшить массу и габариты блока при достаточно высоком КПД [1].
Анализ работы БП с промежуточным звеном повышенной частоты показал, что ток, потребляемый из сети, имеет несииусоидальную форму со значительным содержанием
третьей |
и других нечетных гармонических составляющих |
[2] .Представляющий ее ряд Фурье имеет следующий вид |
|
|
ао |
|
i(cot)= £/*,„ sin(кал + <рк), |
|
неч.к |
11де Ikm,<pk - амплитуда и фаза k-й гармоники тока. |
|
Для |
получения количественных показателей, характе |
ризующих влияние БП вычислительной и другой оргтехни ки на систему электроснабжения, было проведено экспе риментальное исследование процессов с помощью цифро вого запоминающего осциллографа Fluke 196С'. Этот при бор имеет два гальванически изолированных входа с входным сопротивлением 1 МОм. Полоса пропускания ос циллографа Fluke 196С составляет 100 МГц, чувстви тельность - от 2 мВ до 100 В на деление, масштаб по оси времени - от 5 наносекунд до 2 минут на деление. При записи осциллограмм в память осциллографа вносит ся не менее 27000 точек по каждому входу. Погрешность измерения не превышает ± (1,5 %+0,04 цены деления).
Схема подключения приборов показана на рис.1. На вход «А» осциллографа подавалось напряжение сети, на
вход «В» |
- |
сигнал с датчика тока, |
который был |
вы |
полнен в |
виде |
трансформатора тока ТТ, |
нагруженного |
на |
прецизионный резистор с сопротивлением 0,2 Ом. При протекании в контролируемой цепи тока 1,5 А выходной сигнал датчика составлял 100 мВ.
Сеть
*2_ 0,2Омк
Вход "В
т
Л м
_г
Осциллограф "Fluke 196С"
Рис. 1
Через оптический порт интерфейса RS-232 результаты измерения сигналов и растровые изображения экранов передавались на персональный компьютер для последую щей обработки с помощью программного обеспечения FlukeView® для Windows®. Для подробного анализа запи санных сигналов нужный участок осциллограмм увеличи вался с помощью функции Zoom. С помощью команды меню Spectrum программного обеспечения FlukeView® произво дился гармонический анализ записанных осциллограмм напряжений и токов, а также расчет интегральных пока зателей, характеризующих качество кривых.
Коэффициент искажения синусоидальности кривых на пряжения и тока в соответствии с ГОСТ 13109-97 рас считывался по формуле
|
|
K U(I) ~ |
Д ’ |
|
где AJtAk |
первая |
и к-я |
(к=1,...,40) гармоники соответ |
|
ствующей |
кривой. |
влияние |
на |
систему электроснабжения |
Исследовалось |
||||
НИ двух типов компьютеров из находящегося в эксплуа тации парка компьютеров: одного на базе процессора Intel Celeron 850, другого - на базе процессора AMD Athlon ХР1800. Осциллограммы сетевого напряжения и тока, потребляемого системным блоком, для каждого из типа компьютеров представлены на рис.2,а и 3,а. Спек тры частот входного тока в относительных единицах по казаны на рис.2,б и 3,6. При этом за 100% принята ве личина первой гармоники тока.
Полученные осциллограммы показали, что токи, по требляемые БП компьютеров из сети, имеют явно выра женную несинусоидальную форму. Коэффициенты искажения
синусоидальности кривой тока имеют следующие |
значе |
||||
ния: |
98,76 % - для БП компьютера на базе процессора |
||||
Intel |
Celeron 850 и 75 % |
- для БП компьютера |
на |
базе |
|
процессора AMD Athlon ХР1800. |
Основной вклад |
в |
иска |
||
жение |
формы тока вносят |
3- и |
5-я гармоники. В |
первом |
|
случае эти гармоники составляют 76 % и 44 % относи тельно первой гармоники, во втором случае - соответ ственно 66 % и 27 %. В системе электроснабжения ком пьютера Intel Celeron 850 отношение амплитудного зна
чения тока 1М к действующему значению I составляет
3,02. Компьютер на базе процессора AMD Athlon ХР1800 потребляет ток, амплитуда 1т которого больше действую
щего значения / в 2,2 раза.
Так как питание компьютеров осуществлялось от дос таточно мощной сети, то существенного искажения формы сетевого напряжения не наблюдалось. Коэффициент иска жения синусоидальности напряжения составил 4,8 %•
Полученные с помощью осциллографа Fluke 19бС дан ные о гармоническом составе тока, потребляемого БП
компьютеров, хорошо совпадают |
с результатами |
расчета |
|
по известным формулам преобразования |
Фурье, |
заметим, |
|
что проведенные ранее исследования с |
помощью |
измери |
|
теля показателей качества «Ресурс - UF»? давалИ зани |
|||
женное значение указанных выше |
коэффициентов [З]• |
||
Jtl |
6й*Л)» |
a
:
:i
t\
:
2D
10
0 |
J L l Ш .Ж-Ш- 11 17 1Э |
|
6 |
Me -04дягю
I Tine .2 0 4 1 4 3
iIFind -50.0 H«
1RMS -34A J*V
<f t * -7&03nV
:|oc - -MJM
1ТНО»-6CL00X
THOf-TlOO*
IKFad. GL71 llCF ■ Ц 0
Рис. 3
В условиях интенсивного внедрения вычислительной и другой оргтехники в различные сферы деятельности не синусоидальная форма потребляемого тока вызывает ряд негативных последствий, которые могут привести к серьезным проблемам при эксплуатации систем электро
снабжения |
в |
зданиях |
офисного |
типа [4] . Остановимся на |
||
некоторых |
из |
них. |
|
|
напряжения |
|
Во-первых, |
происходит искажение формы |
|||||
на входе |
БП |
и |
всех |
остальных |
потребителей, |
подключен |
ных параллельно ему. Это объясняется тем, что высшие гармонические составляющие несинусоидального тока, протекая по элементам сети электроснабжения (кабели, провода, распределительные шины, индуктивности рас
сеяния |
трансформаторов), |
создают |
на их |
сопротивлениях |
||
падения |
напряжений, которые вычитаются |
из |
синусоиды |
|||
ЭДС e ~ E m sintot. |
|
|
проводники |
кабельных |
||
Во-вторых, нулевые рабочие |
||||||
линий загружаются |
током |
гармоник, кратных трем, даже |
||||
при равномерном |
распределении |
компьютерной |
нагрузки |
|||
по фазам. При определенных условиях |
ток |
в нулевом |
||
проводе |
может превышать ток |
в фазных |
проводах в 1,5 |
|
раза и |
более. Это объясняется |
тем, что при |
симметрич |
|
ной нагрузке фазные токи основной частоты и высшие гармонические составляющие, номера которых не кратны трем, образуют системы прямой и обратной последова тельности и дают в сумме ноль. Гармоники, номера ко торых кратны трем, образуют систему нулевой последо вательности. В результате при несинусоидальной сим метричной нагрузке ток нулевого рабочего провода бу дет определяться выражением
где I3,I9,Ij5~ действующие значения соответствующих гармоник тока.
Очевидно, что такой, ток при определенных условиях может стать причиной перегрева нулевого рабочего про вода, который согласно ПУЭ не защищается автоматиче скими выключателями или предохранителями.
В-третьих, высшие гармонические составляющие тока создают дополнительные потери в элементах системы электроснабжения. Протекание по обмоткам трансформа тора несинусоидальных токов из-за поверхностного эф