脉冲功率诊断

2、电流互感器（续3）
Rogovsky线圈的测量电路
自积分法（电流变压器）：在线圈的出口接 一小电阻，流过此电阻的压降和i1成正比。 该方法应使线圈电感大，电阻小，且电流变 化越快结果越真实
u m i2 R u2 M d i1 dt i2 R L R L d i2 dt
3
Accelerator Lab of Tsinghua University
一、概述（续）
基本特征
测量瞬态信号时，要求转换装置具有良好的 脉冲响应 当波长与导体实际尺寸接近时(高频情况)， 导体两端的电压并无太大意义。故此要根据 实际情况来解释所得到的结果 课堂上只给出各种诊断方法的原理和应用思 路，不讲具体计算和推导过程
Tf Lf / Rf u ab iR f L f di dt
33
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、分流器（续4）
误差的主要来源（续1）
34
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、分流器（续5）
测量误差的主要来源（续2）
二、脉冲电压测量（续）
分压器的类型
1、电阻分压器 2、电容分压器 3、阻容分压器
6
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器
基本特点
结构简单，由高阻金属丝或液体电阻组成 是高阻抗和低压仪表配合使用的基本方式 高阻抗承受高压作用，尺寸较大，易受各种 因素的影响
频率响应
• 保持输入信号幅值不变，改变频率，测量分压器的 输出，则可以画出频率响应曲线
22
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续16）
分压器的补偿
用分压器测量电压，所得到的电压值既有电 阻性分量，也有电感性分量，即负载为纯电 阻时，测到的电压大于负载上实际电压，并 且频率越高，电感性分量越多 在测量回路中串入一个和主放电回路相耦合 的互感线圈（套住导线），然后这个线圈一 端接被测电压，另一端接分压器。如果这个 线圈的接法满足其电感性电压与主回路中电 感性电压相位相反，则可以除去不需要的电 感性电压分量
18
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续12）
低压臂与测量电路（续1）
一个纯电阻分压器的例子（忽略各种寄生参 数）。如果在示波器端使R0与传输线特征阻 抗相同，则示波器端无波反射，低压臂的有 效电阻为R2//R0，分压比增加
19
Accelerator Lab of Tsinghua University
2、电容分压器（续1）
等效电路
Cp Cs Cp
Vs Vo
25
Accelerator Lab of Tsinghua University
2、电容分压器（续2）
电容分压器的测量方法
26
Accelerator Lab of Tsinghua University
2、电容分压器（续3）
电容分压器的测量方法（续）
Rogovsky线圈的工作原理（续）
对于下图的情形，可以估算出互感系数M
2 rB i , B S u2 n d dt n
S d i1
2 r d t
M n S / 2 r
38
Accelerator Lab of Tsinghua University
30
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、分流器
基本特点
电流流过无感电阻时产生电压降，由电压可 以得到电流 优点是电路简单，缺点是有脉冲电流流过时 ，易造成干扰
31
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、分流器（续1）
测量电路
为不影响试验回路，分流器电阻Rf应该比试 验回路的电阻小得多，图中电路采用在示波 器边匹配，如果仅是电阻的作用，则ab间电 压波形与回路电流波形相同
32
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、分流器（续2）
测量误差的主要来源
分布电感，存在电感时间常数，并使得测出 的波形在真实峰值之前凸起，峰值之后下凹
电压上升时间：定义为输出电压从0.1到0.9峰 值电压的时间 理想响应 实际情况 含有并联电容的分压器的上升时间可以推出 为 tr = 0.23CgR
12
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续6）
减小测量误差的措施
采用多种补偿方法使初始电位分布接近稳态 分布 采用不均匀电阻使得沿高度电位分布均匀 在不影响被测回路波形的情况下，分压器的 电阻应尽可能小
1、电阻分压器（续13）
低压臂与测量电路（续2）
也可以用串联匹配电阻Rm加在低压臂一端， 使得Rm＋R2＝Z0，这样在分压器一端与电缆 是匹配的
20
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续14）
低压臂与测量电路（续3）
如果匹配不好，则要在电缆的两端形成反射 ，以上页图为例，电缆阻抗100，低压臂电 阻50，示波器端可视作开路，可以得到如下 图所示的输出
7
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续1）
等效电路
V2 V1

IR 2 V1

R2 R1 R 2

R2 R1
8
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续2）
寄生电容、电感
寄生电容主要是对地的，这些电容起了分流 的作用 特别是在使用液体电阻的情况下，寄生电容 更大 寄生电容与电阻并联连接，寄生电感与电阻 串联连接
28
Accelerator Lab of Tsinghua University
3、阻容分压器（续1）
电阻与电容串联
存在相当大的寄生电感 高阻尼电容分压器 低阻尼电容分压器
29
Accelerator Lab of Tsinghua University
三、脉冲电流测量
1、分流器 2、电流互感器 3、霍尔发生器
上图为末端匹配，R＝Z0，末端无反射 如果R在传输线前端，则为首端匹配 下图为首末两端匹配。C1＋C2＝Cc＋C3， R＝Z0。分压比V1/V2=2（C1+C2）/C1
27
Accelerator Lab of Tsinghua University
3、阻容分压器
电阻与电容并联
这种组合方式在低频时作为一个电阻分压器 ；在高频时作为一个电容分压器 在低频和高频时，可能使用不同的分压比
13
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续7）
设计电阻分压器
选择电阻要求自感小，具有较高的功率容量 根据上升时间的要求，确定合适的阻值（因 为分布电容难减小，故要减小电阻） tr = 0.23CgR 同轴结构即可以减小电感，又有屏蔽的效果
9
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续3）
寄生电容的影响
分压器对地电容的存在，是误差的主要原因 ，电容的分流使得流过高压臂和低压臂的电 流不等
寄生电感的影响
使回路中的电流不能突变，只能按指数规律 上升，故低压臂输出电压也是按指数规律上 升的
14
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续8）
15
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续9）
举例：水电阻分压器
图中的水电阻分压器由于只使用了一个电阻 ，低压臂从中间引出，由于水的介电常数较 高，这可以保证电场在电阻内非常接近于与 柱平行，于是分布电容也恰好满足与电阻相 同的分压比，不会对信号波形造成较大的畸 变
4
Accelerator Lab of Tsinghua University
二、脉冲电压测量
在脉冲电压的测量中，分压器是应用的 最多的测量手段，有些情况与稳态电压 的测量相同，但也有新的特点，如高频 下需要考虑测量电路中各元件的配合出 现的振荡或畸变
5
Accelerator Lab of Tsinghua University
接头电阻 电压引线的感应电势：电阻体产生的磁场在 电压引线上感应电势，故需要合理布置引线 趋肤效应：使电流分布不均匀，故测量电阻 时就应该在工作频段内测量
35
Accelerator Lab of Tsinghua University
2、电流互感器
基本特点
测量互感器次级的输出以得到电流，这类互 感器多不带铁心，带铁心时要防止饱和 优点是没有与大电流设备的直接接触，缺点 是电路比较复杂
16
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续10）
17
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续11）
低压臂与测量电路
实际上分压器低压臂既非高阻抗的一段，也 不是理想的电阻（或电容），也有寄生参数 ，它的影响和高压臂的影响一样重要 对低压臂的要求主要有：与测量电缆的阻抗 匹配，减小分布电感（因为其阻抗小，故对 电感要求更高），良好屏蔽等
36
Accelerator Lab of Tsinghua University
2、电流互感器（续1）
Rogovsky线圈的工作原理
测量线圈的感应电势u2，M为互感系数，测量 的是电流的微分，需要积分器
37
Accelerator Lab of Tsinghua University
2、电流互感器（续2）
2
Accelerator Lab of Tsinghua University
一、概述（续）
基本特征
一般的仪表受绝缘和功率容量的限制，不能 直接测量高电压、大电流信号，而必须和能 够耐高压和大电流的转换装置配合起来使用 测量高压和强流的装置，体积一般都比较大， 容易受到电磁场的影响，并且脉冲功率电路 也经常产生各种不利于测量的电磁场，故此 防干扰措施是必须的
10
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续4）
平衡的分压器
图中的分压器特地增加了Cs和Ls以补偿分布 电容和串联分布电感对信号的畸变
11
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续5）
方波响应
23
Accelerator Lab of Tsinghua University
2、电容分压器
基本特点
纯电容分压器的分压比与频率无关 它是测量快速脉冲的理想分压器 用来测量比电阻分压器所能测的电压更高的 电压 高压臂的电容较小，其绝缘强度应能承受全 部被测电压
24
Accelerator Lab of Tsinghua University
21
Accelerator Lab of Tsinghua University
1、电阻分压器（续15）
分压器的标定
分压比的测量
• 根据实测电压的比值 • 根据高、低压臂的阻抗
方波响应
• 当分压器的输入是一个方波，由于电容、电感的影 响，分压器的输出是一个类似指数曲线上升的波形 ，波形的前沿越陡就越接近方波，说明分压器的性 能越好，误差越小
Accelerator Lab of Tsinghua University
脉冲功率诊断
一、概述 二、脉冲电压测量 三、脉冲电流测量 四、光电诊断方法 五、其它参量测量
1
Accelerator Lab of Tsinghua University
一、概述
脉冲电压和脉冲电流的诊断（测量） 是脉冲功率电路中最基本的操作，通 过测量可以较深入地了解回路的具体Fra Baidu bibliotek工作过程和参数。从而建造所需要的 脉冲功率系统。除脉冲电压、脉冲电 流的诊断外，基本L、R、C元件的测量 也要采取特殊的处理，这就是要在器 件的工作频率内测量LRC等参数，并考 虑分布参数的影响