Расчет петли фаза нуль: Расчет тока короткого замыкания онлайн калькулятор

Содержание

как измерить, сопротивление и проверка петли

Нередко в домашней электрической проводке и силовых подстанциях возникают неполадки, в результате которых происходит естественный перекос фаз по нейтральной электроцепи. В таком случае, чтобы предотвратить проблему, делают измерение петли фазы ноль. Что это такое, как правильно произвести замер петли фаза нуль, какие приборы для этого использовать? Об этом и другом далее.

Что это такое

Петля фаза ноль — параметр, который по техническим нормативам должен проверяться в силовых установках, имеющих глухозаземленную нейтраль и напряжение до тысячи вольт. Это величина, которая нужна, чтобы предотвратить появление тока в электроцепи нейтрали из-за естественного фазного перекоса. Она образуется при подключении фазного провода к проводнику защитного или нулевого типа. В конечно итоге, образуется контур, имеющий собственное сопротивление с перемещающимся по нему электрическому току. Этот контур может состоять из защитного автомата, клеммов и других связующих.

Петля фаза ноль

Измерить самостоятельно петлю сложно из-за имеющихся недостатков. Так, сложно подсчитать все коммутационные элементы на выключателях, рубильниках, которые могли измениться при сетевой эксплуатации. Кроме того, нереально сделать расчет влияния аварии на значение сопротивления. Лучшим при этом методом будет замер поверенным аппаратом с учитыванием погрешностей.

Определение из пособия

Как проверить петлю

Проверка петли нужна для профилактики, а также для того, чтобы обеспечить корректную работу защитного оборудования с автоматическими выключателями, УЗО и диффавтоматами. Самой распространенной проблемой подключения чайника или другого электроприбора является отключение нагрузки автомата.

Обратите внимание! Ложное срабатывание защиты с нагревом кабелей и пожаром является большой показатель сопротивления.

Проверка делается для того, чтобы успешно работали удаленные и более массивные электрические приемники, но не больше 10% от всего числа.

Проверка создается с помощью формулы Zпет = Zп + Zт / 3 где Zп является полным сопротивлением проводов петли фазы-ноль, а Zт считается показателем полного сопротивления трансформаторного питания.

Формула для проверки

Испытуемое электрооборудование отключается от сети. Потом создается на трансформаторной установке искусственный вид замыкания первого фазного провода на электроприемный корпус. После того, как будет подано напряжение, измеряется сила тока и напряжения вольтметром.

Обратите внимание! Сопротивление петли будет равно делению показателя напряжения на силу тока. Приобретенный результат должен быть арифметически сложен с полным сопротивлением трансформатора, поделенного на цифру 3.

Как делают замеры

Замеры нужно проводить по нормативному техническому документу ПТЭЭП, в соответствии с конкретной периодичностью — 1 раз в несколько лет. Система ППР прописывает необходимость текущего и капитального ремонта электрического оборудования.

Это нужно, чтобы работало оборудование исправно.

Приборы для замеров

Учитывая тот факт, что результаты измерений петли востребованы, в качестве измерительных приборов применяется обычно мультиметр. Из других приборов используются наиболее часто:

  • М-417 — стрелочное удобное и простое в эксплуатации устройство, которое основано на калибруемой схеме мостового типа. Работает без необходимости снятия напряжения величиной до 380 вольт.
  • МZC-300 — современный измерительный аппарат, имеющий цифровую обработку измеряемых параметров с отображением на дисплее. Чтобы измерять напряжение до 250 вольт, можно использовать контрольный вид сопротивления в 10 Ом.
  • ИФН-200 — прибор, работающий под напряжением до 250 вольт, который может быть применен в качестве тестера. Однако при петлевых замерах, диапазон значений сопротивления ниже 1000 Ом.

Стоит отметить, что параметровое петлевое измерение сопротивления петли фаза нуль простое. Все что нужно, это присоединить щупы к контактным местам, которые нужно предварительным образом почистить при помощи наждака или напильника, чтобы минимизировать контактное сопротивление. После этого включается оборудование и на табло появляется результат.

Проверка мультиметром

Рассчет петли фаза-ноль

Перед тем, как измерить петлю фаза-ноль, необходима проверка плотности проводного соединения к защитным аппаратам. Если не остаются протянутыми провода, то смысла в измерении нет, поскольку точные данные не будут получены.

Обратите внимание! Цель расчета в выяснении соответствия номинального тока защиты с проводным сечением электроцепи. Замер должен быть произведен на самой удаленной точки линии измерения.

Сделав замер полного сопротивления цепи фаза нуль по предложенной схеме, на приборном дисплее будет отражена величина тока короткого замыкания. Этот показатель нужно сравнить по характеристике времени и току с расцепительным током срабатывания выключателя иди с предохранительной вставкой.

По нормативным требованиям расчет петли должен быть произведен в электролаборатории. Чтобы произвести данные работы, нужно получить наряд-допуск. При этом испытания могут производить взрослые люди с необходимыми знаниями в месте, не отличающейся повышенной опасностью или высокой влажностью.

Подсчет фазы-ноль

Сопротивление в петли фаза-ноль

Для подсчета полного сетевого сопротивления электроустановки, нужно определить показатель электродвижущей силы, создающейся на трансформаторных обмотках. При этом замер напряжения должен быть под нагрузкой, в дополнение к теме проверка петля фаза ноль требования. Для этого следует подключить в розетки какой-либо расчетный прибор. Это может быть лампочкой. Делается замер напряжения и силы тока. Затем по закону Ома можно сделать определение полного сопротивления петли. Нужно учесть, что напряжение, которое замеряется в розетке, может отклоняться от номинального при нагрузке. Проверять оборудование следует, принимая во внимание этот факт.

Сопротивление

Обратите внимание! Показание полного сопротивления проводниковой защиты между шиной и корпусом должно быть удовлетворено требованию: ZPE=U0/Zф0≤50В

В целом, петля фаза ноль — это контур, образующийся в момент соединения фазного проводника и нулевого рабочего защитного проводника. Проверяется она при помощи специальной формулы или измерительного прибора. При этом для вычисления петли и возобновления работы электросистемы, необходимо знать величину ее сопротивления, которую также можно найти профессиональным оборудованием.

ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПИ ФАЗА-НУЛЬ, ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ И ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ

Петлёй «ФАЗА-НУЛЬ» принято называть цепь, состоящую из фазы трансформатора и проводников — нулевого и фазного.
По измеренному полному сопротивлению петли «ФАЗА-НУЛЬ» производится расчет тока однофазного короткого замыкания. Основной целью является проверка временных параметров срабатывания аппаратов защиты от cверхтоков при замыкании фазы на корпус. Данная проверка так же подверждает непрерывность PE цепи. Время срабатывания аппаратов защиты должно удовлетворять требованиям п.1.7.79 ПУЭ.

Надёжность срабатывания защиты от сверхтоков является одним из основных требований как при проектировании, так и при монтаже и требует расчетной и натурной проверки.

Поскольку речь идёт о замыкании на корпус, то под нулевым проводником мы понимаем совокупность защитных (PE) и защитно-рабочих (PEN) проводников от «корпуса» до трансформатора. Таким образом, проверка петли «ФАЗА-НУЛЬ» позволяет оценить и качество защитной цепи.


ИЗМЕРЕНИЯ

Существует несколько методик измерения сопротивления петли «ФАЗА-НУЛЬ» и токов короткого замыкания, как с отключением напряжения линии, так и без.
В настоящее время в основном применяются современные микропроцессорные измерительные приборы, реализующие методику измерения полного сопротивления петли «ФАЗА-НУЛЬ» без отключения напряжения, и автоматического расчета тока короткого замыкания на основании значения сопротивления петли.

Применение данных приборов упрощает процесс испытаний. Кроме того, испытания оказываются более щадящими по отношению к испытываемым линиям и аппаратам защиты. Некоторые из этих приборов позволяют проводить измерения без искючения из испытываемой линии УЗО и не вызывают их срабатывания, что представляется достаточно важным и удобным, поскольку измерения проводятся между фазным проводником и нулевым защитным проводником. Измерения проводятся на концах проводников, защищаемых аппаратами защиты от сверхтока.

Результаты измерений оформляются протоколом установленного образца.

Перед проведением измерений петли «ФАЗА-НУЛЬ» рекомендуется провести измерение сопротивлений защитных проводников, проверку их непрерывности (проверка металлосвязи, проверка заземления).


УСТРАНЕНИЕ ДЕФЕКТОВ

Если при проведении измерений петли «

ФАЗА-НУЛЬ» в действующей электроустановке получены неудовлетворительные результаты, то требуется срочное устранение дефекта. Как правило, бывает достаточно заменить аппарат защиты от сверхтоков на другой, с более подходящими характеристиками. Но иногда требуется замена существующего кабеля на кабель с другим сечением жил. Подобные случаи, как правило, сложнее с точки зрения монтажа.


РАСЧЁТ ПЕТЛИ «ФАЗА-НУЛЬ»

С целью своевременного согласования параметров кабельных линий и аппаратов защиты от сверхтоков необходимо производить расчёты петли «ФАЗА-НУЛЬ» на стадии проектных работ. Подобные расчеты удобно проводить в комплексе: мощность нагрузки; cos φ; длина кабельной линии; сечение жилы; вид монтажа; падение напряжения на линии; расчетное полное сопротивление петли; прогнозируемый ток короткого замыкания; номинальный ток аппарата защиты; характеристика аппарата защиты. Расчет петли «

ФАЗА-НУЛЬ» является одним из наиболее сложных, поскольку требует принятия во внимание ряда трудно учитываемых параметров.

 


ВРЕМЯ-ТОКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Согласно ГОСТа Р 50345-99, п. 3.5.17 — это наименьшая величина тока, при котором автоматический выключатель сработает (отключится) без выдержки времени, т.е. его электромагнитная защита.

В этом же ГОСТе Р 50345-99, п.5.3.5., говорится, что всего существует три стандартные характеристики (типы мгновенного расцепления):

B — от 3·In до 5·In
C — от 5·In до 10·In
D — от 10·In до 20·In (встречаются от 10·In до 50·In)
In – номинальный ток автоматического выключателя.

Рассмотрим каждый вид характеристики на примере модульного автоматического выключателя ВА47-29.


Время-токовая характеристика типа В

На графике (кривой) показана зависимость времени отключения автоматического выключателя от протекающего через него тока. Ось Х — это кратность тока в цепи к номинальному току автомата (I/In). Ось У — время срабатывания, в секундах.

График разделен двумя линиями, которые и определяют разброс времени срабатывания тепловой и электромагнитной защит автомата. Нижняя линия — это горячее состояние автомата (после срабатывания), а верхняя линия — это холодное состояние.

Характеристики практически всех автоматов изображаются при температуре +30°С.

На представленных время-токовых характеристиках (сокращенно, ВТХ) пунктирная линия — это верхняя граница (предел) для автоматов с номинальным током меньше 32 (А).

По графику видно:

1. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 3·In, то он должен отключиться за время 0,02 секунды в горячем состоянии, до 35 секунд в холодном состоянии (для автоматов менее 32А) и до 80 секунд в холодном состоянии

2. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 5·In, то он должен отключиться за 0,01 секунду в горячем состоянии или за 0,04 секунды в холодном.(для автоматов более 32А). 

Автоматы с характеристикой В применяются в основном для защиты потребителей с преимущественно активной нагрузкой, например, электрические печи, электрические обогреватели, цепи освещения.

Правда, в магазинах их количество почему то всегда ограничено, т.к. распространенным видом является характеристика С. И кто так решил? Вполне целесообразно на автоматы групповых линий для освещения и розеток ставить именно тип В, а на вводной автомат — тип С. Так будет соблюдена селективность, и при коротком замыкании где нибудь в линии не будет отключаться вводной автомат и «гасить» всю квартиру.


Время-токовая характеристика типа С

Вот ее график:

1. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 5·In, то он должен отключиться за время 0,02 секунды в горячем состоянии, до 11 секунд в холодном состоянии (для автоматов менее 32А) и до 25 секунд в холодном состоянии (для автоматов более 32А).

2. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 10·In, то он должен отключиться за 0,01 секунду в горячем состоянии или за 0,03 секунды в холодном.

Автоматы с характеристикой С применяются в основном для защиты трансформаторов и двигателей с малыми пусковыми токами. Также их можно использовать для питания цепей освещения. Нашли они достаточно широкое распространение в жилом фонде, хотя свое мнение об этом я высказал чуть выше.


Время-токовая характеристика типа D

График:

1. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 10·In, то он должен отключиться за время 0,02 секунды в горячем состоянии, до 3 секунд в холодном состоянии (для автоматов менее 32А) и до 7 секунд в холодном состоянии (для автоматов более 32А).

2. Если через автоматический выключатель будет проходить ток, равный 20·In, то он должен отключиться за 0,009 секунд в горячем состоянии или за 0,02 секунды в холодном.

Автоматы с характеристикой D применяются в основном для защиты электрических двигателей с частыми запусками или значительными пусковыми токами (тяжелый пуск).


ПЛАВКИЕ ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

Плавкие предохранители — это электрические аппараты, защищающие установки от перегрузок и токов короткого замыкания.
Основными элементами предохранителя являются плавкая вставка, включаемая в рассечку защищаемой цепи, и дугогасительное устройство, гасящее дугу, возникающую после плавления вставки.

К предохранителям предъявляются следующие требования:

  1. Времятоковая характеристика предохранителя должна проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой характеристике защищаемого объекта.
  2. При коротком замыкании предохранители должны работать селективно.
  3. Время срабатывания предохранителя при коротком замыкании должно быть минимально возможным, особенно при защите полупроводниковых приборов. Предохранители должны работать с токоограничением.
  4. Характеристики предохранителя должны быть стабильными. Разброс параметров из-за производственных отклонений не должен нарушать защитные свойства предохранителя.
  5. В связи с возросшей мощностью установок предохранители должны иметь высокую отключающую способность.
  6. Замена сгоревшего предохранителя или плавкой вставки не должна требовать много времени.

В промышленности наибольшее распространение получили предохранители типа и ПН-2.


ВРЕМЯ-ТОКОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ СЕРИИ ПН2

Измерение сопротивления петли «фаза-нуль»

     В соответствии с ПТЭЭП для контроля чувствительности защит к однофазным замыканиям на землю в установках до 1000 В с глухозаземленной нейтралью необходимо выполнять измерения сопротивления петли “фаза-нуль”.

 

     Для измерения сопротивления петли “фаза-нуль” мы используем прибор ИФН-200

 

     Проверка производится для наиболее удаленных и наиболее мощных электроприемников, но не менее 10% их общего количества. Проверку можно производить расчетом по формуле Zпет = Zп + Zт / 3 где Zп— полное сопротивление проводов петли фаза-нуль; Zт — полное сопротивление питающего трансформатора. Для алюминиевых и медных проводов Zпет = 0,6 Ом/км.

     

     По Zпет определяется ток однофазного короткого замыкания на землю: Iк = Uф / Zпет Если расчет показывает, что кратность тока однофазного замыкания на землю на 30% превышает допустимые кратности срабатывания защитных аппаратов, указанные в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ), то можно ограничиться расчетом. В противном случае следует провести прямые измерения тока короткого замыкания специальными приборами, например, типов ЭКО-200, ЭКЗ-01 или по методу амперметра-вольтметра на пониженном напряжении.

 

Метод амперметра — вольтметра при измерении сопротивления петли фаза-нуль

 

Испытуемое электрооборудование отключают от сети. Измерение производят на переменном токе от понижающего трансформатора. Для измерения делается искусственное замыкание одного фазного провода на корпус электроприемника.

 

После подачи напряжения измеряются ток I и напряжение U, измерительный ток должен быть не менее 10 — 20 А. Сопротивление измеренной петли Zп=U/I. Полученное значение Zп должно быть арифметически сложено с расчетным значением полного сопротивления одной фазы питающего трансформатора Rт/3.

 

Программа проведения измерений сопротивления петли фаза-нуль

 

1. Ознакомление с проектной и исполнительной документацией и результатами предыдущих испытаний и измерений.

2. Подготовка необходимых электроизмерительных приборов и испытательных устройств, проводников и защитных средств.

3. После выполнения организационно-технических мероприятий и допуска на объект, выполнение измерений и испытаний

4. Оценка и обработка результатов измерений и испытаний.

5. Оформление измерений и испытаний.

6. Корректировка схем, оформление подписей о пригодности (не пригодности) электрооборудования к дальнейшей эксплуатации.

Методические рекомендации по проведению проверки цепи фаза — нуль в электроустановках до 1кВ при системе питания с глухозаземленной нейтралью — Методики испытаний / Документы — Электротехническая лаборатория, г.Ханты-Мансийск

Цель проведения измерения.

Измерение сопротивления петли “фаза-нуль” проводится с целью проверки срабатывания защиты электрооборудования и отключения аварийного участка при замыкании фазы на корпус. По измеренному полному сопротивлению петли “фаза-нуль” определяется ток однофазного короткого замыкания. Полученная расчетом величина тока сравнивает с номинальным током защитного аппарата.

2. Меры безопасности.

Пред началом работ необходимо:

• Получить наряд (разрешение) на производство работ

• Подготовить рабочее место в соответствии с характером работы: убедиться в достаточности принятых мер безопасности со стороны допускающего (при работах по наряду), либо принять все меры безопасности самостоятельно (при работах по распоряжению).

• Подготовить необходимый инструмент и приборы.

• При выполнении работ действовать в соответствии с программами (методиками)по испытанию электрооборудования типовыми или на конкретное присоединение. При проведении высоковольтных испытаний на стационарной установке действовать в соответствии с инструкцией.

• При окончании работ на электрооборудовании убрать рабочее место, восстановив нарушенные в процессе работы коммутационные соединения (если таковое имело место).

• Сдать наряд (сообщить об окончании работ руководителю или оперативному персоналу).

• Оформить протокол на проведённые работы

Измерения сопротивления петли «фаза — нуль» необходимо производить пользуясь диэлектрическими перчатками, предварительно необходимо обесточить испытуемую цепь. Только после отключения напряжения необходимо проводить подключение прибора с последующей подачей напряжения и проведением измерения.

3. Нормируемые величины.

Измерения сопротивления петли “фаза-нуль” проводится в сроки, устанавливаемые графиком планово-предупредительного ремонта (ППР). По сопротивлению петли “ фаза-нуль” Zфо (Ом) ток короткого замыкания Iкз (А) определяется по формуле Iкз=Uср/Zфо

где Uср -среднее значение питающего напряжения, В.

В электроустановках до 1кВ с глухим заземленной нейтралью с целью

обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость фазных и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой защитный проводник возникал ток КЗ, превышающий не менее чем:

· в 3 раза номинальный ток плавкого элемента ближайшего предохранителя;

· в 3 раза номинальный ток нерегулируемого расцепителя или уставку тока регулируемого расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратно зависимую от тока характеристику.

При защите сетей автоматическими выключателями, имеющими только электромагнитный расцепитель (отсечку), проводимость указанных проводников должна обеспечивать ток не ниже уставки тока мгновенного срабатывания, умноженной на коэффициент, учитывающий разброс(по заводским данным), и на коэффициент запаса 1,1.

4. Определяемые характеристики.

Согласно ПУЭ в электроустановках до 1000В с глухозаземлённой нейтралью с целью обеспечения автоматического отключения аварийного участка проводимость фазных и нулевых рабочих и нулевых защитных проводников должна быть выбрана такой, чтобы при замыкании на корпус или на нулевой проводник возникал ток короткого замыкания, который обеспечивает время автоматического отключения питания не превышающего значений, указанных в табл. 1.7.1.

Таблица 1.7.1

Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы TN

Номинальное фазное напряжение U0, В

Время отключения, с

127

0,8

220

0,4

380

0,2

Более 380

0,1

Приведенные значения времени отключения считаются достаточными для обеспечения электробезопасности, в том числе в групповых цепях, питающих передвижные и переносные электроприемники и ручной электроинструмент класса 1. В цепях, питающих распределительные, групповые, этажные и др. щиты и щитки, время отключения не должно превышать 5 с.

Допускаются значения времени отключения более указанных в табл. 1.7.1, но не более 5 с в цепях, питающих только стационарные электроприемники от распределительных щитов илиьщитков при выполнении одного из следующих условий:

1) полное сопротивление, защитного проводника между главной заземляющей шиной и распределительным щитом или щитком не превышает значения, Ом:

50=Zц/U0,

где Zц — полное сопротивление цепи «фаза-нуль», Ом;

U0 — номинальное фазное напряжение цепи, В;

50 — падение напряжения на участке защитного проводника между главной заземляющей шиной и распределительным щитом или щитком, В;

2) к шине РЕ распределительного щита или щитка присоединена дополнительная система уравнивания потенциалов, охватывающая те же сторонние проводящие части, что и основная система уравнивания потенциалов.

Допускается применение УЗО, реагирующих на дифференциальный ток.

А также ток возникающий при однофазном КЗ во взрывоопасных зонах должен превышать:

В 6 раз номинальный ток автоматического выключателя с обратнозависимой характеристикой

во взрывоопасном помещении.

В 4 раза номинальный ток плавкой вставки во взрывоопасном помещении

При защите автоматическими выключателями имеющими только электромагнитный расцепи-

тель время отключения должно соответствовать данным таблицы 1.7.1

Для расчёта тока однофазного КЗ по результатам измерения сопротивления петли «фаза

— нуль» используют следующую формулу:

Z = U / I,

где Z— сопротивление петли «фаза—нуль», Ом;

U — измеренное испытательное напряжение, В;

I — измеренный испытательный ток, А…

По рассчитанному току однофазного КЗ определяют пригодность аппарата защиты установленного в цепи питания электроприёмника.

В системе IT время автоматического отключения питания при двойном замыкании на открытые проводящие части должно соответствовать табл. 1.7.2.

Таблица 1.7.2

Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения для системы IT

Номинальное линейное напряжение U0, В

Время отключения, с

220

0,8

380

0,4

660

0,2

Более 660

0,1

Для определения времени отключения аппарата защиты после измерения сопротивления петли «фаза-нуль» и расчёта тока однофазного КЗ необходимо использовать время-токовые характеристики данного аппарата (смотри «Методику проведения испытаний автоматических выключателей и аппаратов управления напряжением 0,4кВ»).

5. Условия испытаний и измерений

Измерение сопротивления петли «фаза — нуль» следует производить при положительной температуре окружающего воздуха, в сухую, спокойную погоду. Атмосферное давление особого влияние на качество проводимых испытаний не оказывает, но фиксируется для занесения данных в протокол.

Влияние нагрева проводников на результаты измерений:

а) Рассмотрение повышения сопротивления проводников, вызванного повышением температуры.

Когда измерения проведены при комнатной температуре и малых токах, чтобы принять в расчет повышение сопротивления проводников в связи с повышением температуры, вызванного током замыкания, и убедиться для системы TN в соответствии измеренной величины сопротивления петли «фаза—нуль» требованиям таблицы 1.7.1, может быть применена нижеприведенная методика.

Считают, что требования таблицы 1.7.1 выполнимы, если петля «фаза—нуль» удовлетворяет следующему уравнению

Z S(m) ≤2U0 / 3Ia,

Где ZS(m) — измеренная величина сопротивления петли «фаза—нуль», Ом;

U0 — фазное напряжение. В;

Ia — ток, вызывающий автоматическое срабатывание аппаратов защиты в течение времени, указанного в таблице 1.7.1., или в течение 5 с для стационарных электроприёмников

Если измеренная величина сопротивления петли «фаза—нуль» превышает 2 U0/3Iа, более точную оценку соответствия требованиям таблицы 1.7.1 можно сделать путем измерения величины сопротивления петли «фаза—нуль»в следующей последовательности:

— сначала измеряют сопротивление петли «фаза—нуль» источника питания на вводе электроустановки Ze;

— измеряют сопротивление фазного и защитного проводников сети от ввода до распределительного пункта или щита управления;

— измеряют сопротивление фазного и защитного проводников от распределительного пункта или щита управления до электроприемника;

— величины сопротивлений фазного и нулевого защитного проводников увеличивают для учета повышения температуры проводников при протекании по ним тока замыкания. При этом необходимо учитывать величину тока срабатывания аппаратов защиты;

— эти увеличенные значения сопротивления добавляют к величине сопротивления петли «фаза—нуль» источника питания Ze и в результате получают реальную величину ZS в условиях замыкания.

6. Применяемые приборы, инструменты и аппараты.

Измерения проводятся специальным приборами типа EurotestXE 2,5 кВ MI 3102H, позволяющим определять полное сопротивление петли “фаза-нуль” при наличии напряжения на источнике питания в электроустановках напряжением 380 В с глухозаземленной нейтралью питающего трансформатора. Во время работы применяют инструмент с изолированными ручками и индикатор напряжения.

6. Методика проведения измерения.

7.1 Полное сопротивление контура и предполагаемый ток короткого замыкания

В данной функции доступны две подфункции измерения полного сопротивления контура: Подфункция Z LOOP применяется для измерения полного сопротивления контура в системах питания без встроенного УЗО. Подфункция Zs(узо) — функция блокировки срабатывания УЗО — применяется для измерения полного сопротивления контура в системах питания со встроенным УЗО.

7.1.1 Полное сопротивление контура

Полное сопротивление контура представляет собой полное сопротивление контура повреждения при возникновении короткого замыкания на открытых проводящих частях (замыкание между фазным проводником и защитным проводником заземления).

7.1.2. Порядок проведения измерения полного сопротивления контура

Шаг 1 С
помощью переключателя функций выберите функцию Контур. Используя кнопки, выберите подфункцию полного сопротивления контура Z LOOP. Подключите измерительный кабель к прибору EurotestХЕ 2,5 кВ.

Шаг 2 Установите следующие параметры измерения:

Тип предохранителя,

Номинальный ток предохранителя,

Время срабатывания предохранителя,

Масштабный коэффициент IPSC

Шаг 3 Для измерения полного сопротивления контура подключите прибор к испытываемому объекту в соответствии со схемой соединения, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1: Подключение измерительного кабеля с вилкой и 3-проводного измерительного кабеля

Шаг 4 Перед началом измерения проверьте отображаемые на дисплее предупреждения и оперативное напряжение / выходной монитор. Если измерение разрешено, нажмите кнопку TEST. После завершения измерения на дисплее отображаются результаты измерений и оценка результата.

Отображаемые результаты:

Z … … … … Полное сопротивление контура,

ISC … … …Предполагаемый ток короткого замыкания,

Lim… … … Минимальный предел предполагаемого тока короткого замыкания (если применяется).

Примечания:

Измерительные выводы L и N автоматически заменяются в следующих случаях: если измерительные провода L/L1 и N/L2 (3-проводный измерительный кабель) подключены в обратном порядке, если выходы сетевой вилки перепутаны или если щуп «commander» перевернут.

Минимальный предел тока короткого замыкания зависит от типа предохранителя, номинального тока и времени срабатывания предохранителя, а также от масштабного коэффициента IPSC.

Указанная погрешность измеренных параметров действительна только тогда, когда сетевое напряжение стабильно во время измерений. Измерение полного сопротивления контура в подфункции Z LOOP приводит к срабатыванию УЗО.

7.1.3. Функция блокировки срабатывания УЗО

В данной подфункции Zs(узо) измерение полного сопротивления контура не вызывает срабатывания УЗО, благодаря низкому измерительному току. Данная подфункция также может применяться для измерения полного сопротивления контура в электроустановках, оснащенных УЗО с номинальным током срабатывания 10 мA.

7.1.4. Порядок проведения измерения полного сопротивления контура в функции блокировки срабатывания УЗО

Шаг 1 С
помощью переключателя функций выберите функцию Контур. Используя кнопки, выберите подфункцию блокировки срабатывания УЗО Zs(узо). Подключите измерительный кабель к прибору EurotestХЕ 2,5 кВ.

Шаг 2 Установите следующие параметры измерения:

Тип предохранителя,

Номинальный ток предохранителя,

Время срабатывания предохранителя,

Масштабный коэффициент IPSC

Шаг 3 Для измерения полного сопротивления контура в функции блокировки срабатывания УЗО подключите прибор к испытываемому объекту в соответствии со схемой соединения, приведенной на рисунке 1. При необходимости воспользуйтесь меню помощи.

Шаг 4 Перед началом измерения проверьте отображаемые на дисплее предупреждения и оперативное напряжение / выходной монитор. Если измерение разрешено, нажмите кнопку TEST. После завершения измерения на дисплее отображаются результаты измерений и оценка

результата.

Отображаемые результаты:

Z … … … … Полное сопротивление контура,

ISC … … …Предполагаемый ток короткого замыкания,

Lim… … … Минимальный предел предполагаемого тока короткого замыкания (если применяется). Сохраните отображенные результаты с целью дальнейшего документирования.

Примечания:

При проведении измерения полного сопротивления контура в функции блокировки срабатывания УЗО, срабатывания УЗО, как правило, не происходит. Однако срабатывание УЗО может произойти вследствие протекания тока утечки по РЕ-проводнику или в случае наличия емкостного соединения между фазным и защитным проводниками.

Указанная погрешность измеренных параметров действительна только тогда, когда сетевое напряжение стабильно во время измерений.

7.2 Полное сопротивление линии и предполагаемый ток короткого замыкания

Полное сопротивление линии — это полное сопротивление токовой петли при возникновении короткого замыкания между фазным и нулевым проводниками в однофазной системе или между двумя фазными проводниками в трехфазной системе.

7.2.1. Порядок проведения измерения полного сопротивления линии

Шаг 1 С помощью переключателя функций выберите функцию Линия.

Подключите измерительный кабель к прибору EurotestХЕ 2,5 кВ.

Шаг 2 Установите следующие параметры измерения:

Тип предохранителя,

Номинальный ток предохранителя,

Время срабатывания предохранителя,

Масштабный коэффициент IPSC

Шаг 3 Для измерения сопротивления линии фаза — фаза или фаза — нейтраль подключите прибор к испытываемому объекту согласно схеме соединений, приведенной на рисунке 2.

Рисунок 2: Подключение измерительного кабеля с вилкой или 3-проводного измерительного кабеля при измерении полного сопротивления линии

Шаг 4 Перед началом измерения проверьте отображаемые на дисплее предупреждения и оперативное напряжение / выходной монитор. Если измерение разрешено, нажмите кнопку TEST. После завершения измерения на дисплее отображаются результаты измерений и оценка результата

Отображаемые результаты:

Z … … … … Полное сопротивление линии,

ISC … … …Предполагаемый ток короткого замыкания,

Lim… … … Минимальный предел предполагаемого тока короткого

замыкания (если применяется).

Примечания:

Минимальный предел тока короткого замыкания зависит от типа предохранителя, номинального тока и времени срабатывания предохранителя, а также от масштабного коэффициента IPSC.

Указанная погрешность измеренных параметров действительна только тогда, когда сетевое напряжение стабильно во времяизмерений.

8.
Оформление результатов измерений.

Первичные записи рабочей тетради должны содержать следующие данные:

-дату измерений

-температуру,

-влажность и давление

-наименование, тип, заводской номер оборудования

-номинальные данные объекта испытаний

-результаты испытаний

-используемую схему

По данным испытаний и измерений производятся соответствующие расчёты и сравнения. Вычислив ток однофазного КЗ необходимо определить время срабатывания защитного аппарата по его время-токовой характеристике, и затем дать заключение о времени срабатывания выключателя и его соответствии требованиям ПУЭ. Пример работы с время — токовой характеристикой автоматического выключателя, выполненного в соответствии с ГОСТ Р 50345-99 представлен на рисунке 5. Определённый (измеренный, рассчитанный) ток однофазного КЗ откладывается на время-токовой характеристике в виде вертикальной прямой линии. Токи правее зоны срабатывания обеспечивает срабатывание автоматического выключателя со временем менее 0,4 с. Токи внутри зоны срабатывания обеспечивают отключение автоматического выключателя со временем менее 5 с. Таким образом считаем, что для обеспечения требуемого времени срабатывания автоматического выключателя в пределах менее 0,4 с, ток КЗ должен превышать 10Iн для автоматического выключателя с характеристикой типа С (работает электромагнитный расцепитель).

Рисунок 3. Работа с время-токовой характеристикой автоматического выключателя с характеристикой типа С

Если время срабатывания автоматического выключателя должно быть не более 5 с, то в этом случае считаем, что наиболее вероятно срабатывание обратнозависимого расцепителя, поэтому для определения зоны срабатывания необходимо пользоваться индивидуальной время-токовой характеристикой конкретного автоматического выключателя. На рисунке 5 индивидуальная время-токовая характеристика построена черной линией, принципы построения данной индивидуальной характеристики описаны в «Методике проведения испытаний автоматических выключателей и аппаратов управления напряжением 0,4кВ». При работе с время токовой характеристикой автоматических выключателей промышленного исполнения уставка электромагнитного расцепителя считается основой для определения времени срабатывания. Соответственно при величине однофазного тока КЗ, превышающем уставку электромагнитного расцепителя, считаем, что автоматический выключатель отключится за время меньше 0,4 с. Для определения тока однофазного КЗ при котором автоматический выключатель отключится с временем не более 5 с необходимо, как и в первом случае, пользоваться индивидуальной время-токовой характеристикой для конкретного автоматического выключателя. Цепи с применением УЗО в качестве дополнительных защитных устройств также необходимо проверять на соответствие полного сопротивления петли «фаза-нуль» и времени срабатывания защитных аппаратов, реагирующих на сверхток.

РАЗРАБОТАЛ:

Начальник электролаборатории

Фаза-нуль. Что это за зверь. Продолжение

Доброе время суток, дорогие друзья!

Сегодня мы продолжим разбираться с сопротивлением петли «фаза-нуль».

Начнем по порядку. 

Зачем вообще проводят измерение сопротивления петли «фаза-нуль», если в целом нас интересует ток однофазного короткого замыкания?

Цель такова: Проверка правильности выбора защитного устройства (автоматического выключателя или плавкой вставки) для каждой конкретной защищаемой цепи. Т.е. нас интересует ток короткого замыкания фазы на корпус какого-то токоприемника, причем ток должен быть таким, чтобы время отключения автоматического выключателя или сгорания плавкой вставки удовлетворяло требованиям ПУЭ п.1.7.79. (см. предыдущую статью).

Так вот ток этот в свою очередь согласно закону Ома определяется по формуле:

Iк.з.=Uo/Zф-о , А, где

Uо – номинальное значение фазного напряжения питающей сети, В

Zф-о – полное сопротивление петли «фаза-нуль».

Скажу сразу, что есть приборы измеряющие непосредственно ток однофазного короткого замыкания или показывающие уже ток однофазного короткого замыкания. Например, MPI-511 показывает сразу все три составляющие вышеприведенной формулы. Что в принципе удобно.

Хотя чаще я пользуюсь прибором ЕР-180. Он намного проще, а главное не требует источника питания. Хотя измеряет напряжение и сопротивление.

Произведя измерения и расчеты, переходим к следующему этапу: по характеристикам защитного устройства (ток плавкой вставки, ток отсечки (мгновенного срабатывания) автоматического выключателя и т.д.) определяем за какое время оно сработает при возникновении измеренного (рассчитанного) нами тока однофазного короткого замыкания.

Если время удовлетворяет требованиям ПУЭ п.1.7.79 то все хорошо и переходим к следующему результату измерения.

Если нет, есть несколько путей решения проблемы:

1. Замена защитного устройства (автоматический выключатель с отсечкой 630А скажем меняем на автоматический выключатель с отсечкой 320А . Это возможно для автоматов ВА 4729 у которых при характеристике D отсечка 10-14 In а при характеристике В отсечка 3-5In, т.е. при одном и том же номинальном токе автомат будет мгновенно срабатывать при разных токах отсечки практически отличающихся вдвое).

2. У ряда автоматических выключателей можно изменить уставки тока отсечки и времени срабатывания.

3. Если автомат подобрать не удается, то следует дополнительно использовать токовое реле.

Теперь о подводных камнях, которые встречаются при измерении сопротивления петли «фаза-нуль».

— наличие в измеряемой цепи устройства защитного отключения (УЗО), которое отключается при нашем измерении и не дает нам получить результат.

УЗО необходимо шунтировать, поставив перемычки параллельно одноименным контактам.

Лично я использую прибор MPI-511, который имеет функцию измерения сопротивления петли «фаза-нуль» без срабатывания УЗО.

Можно измерить сопротивление петли «фаза-нуль» до УЗО, а от УЗО до токоприемника просто рассчитать, зная сечение жилы, длину и материал провода. Не забудьте, что в расчет следует принимать сопротивление фазного и сопротивление нулевого проводников, которые могут быть разного сечения.

— отсутствие питания на вновь вводимом объекте или временное питание от постороннего источника.

В этом случае проще всего отложить измерение сопротивления петли «фаза-нуль» до подачи питания на объект, для чего, в принципе, достаточно протоколов измерения сопротивления контура, металлической связи и сопротивления изоляции.

И в завершение о том, где надо проводить замеры полного сопротивления петли «фаза-нуль».

Обычно я начинаю с ВРУ и первый замер делаю на секции шин после вводного автоматического выключателя или рубильника со вставками.

От ВРУ отходят кабельные линии на силовые шкафы (ШС) и (или) пункты распределительные (ПР). Следующие замеры на верхних полюсах вводных автоматов ШС и ПР (это максимально удаленные точки защищаемых кабельных линий защитными устройствами установленными в ВРУ).

От ШС и ПР кабельные линии идут на станции управления токоприемниками, щитки освещения (ЩО) или непосредственно на токоприемники. Следующие измерения на верхних полюсах вводных автоматов этих устройств.

И заключительные измерения на концах групповых линий ЩО (это розетки или светильники) , а для станций управления токоприемниками непосредственно на питаемом оборудовании.

Читайте также мою статью «фаза-нуль» испытания.

На этом у меня на сегодня все. Жду ваших вопросов и до встречи.

Loop Phase — обзор

11.3.1.4 Малосигнальная модель VSC с контуром управления напряжением звена постоянного тока

Схема управления VSC с контуром регулирования тока, PLL и контуром DVC представлена ​​на рис. 11.26. Эквивалентная выходная проводимость, на которую воздействуют регулятор тока и система ФАПЧ, проиллюстрирована как Yodqm (s) и YPLLm (s) на рис. 11.26. Их выражения получены по формулам. (11.19) и (11.33).

Рисунок 11.26. Блок-схема инвертора источника напряжения с управлением по току, управлением фазовой автоподстройкой частоты и управлением напряжением промежуточного контура.

Из рисунка 11.26 видно, что эквивалентная проводимость на выходе, вносимая управлением током и управлением ФАПЧ, изменяется внешним контуром DVC. Кроме того, можно видеть, что DVC вводит новую эквивалентную проводимость на выходе через установившийся выходной ток I1dqT.

Согласно рис. 11.26, коэффициент усиления разомкнутого контура DVC может быть задан как

(11,43) Tdcm (s) = Gclm (s) Gdccm (s) Gdcp (s) Gi − pm (s),

, который представляет собой матрицу два на два.

Общая выходная проводимость, а именно передаточная функция замкнутого контура от v dq до — i 1 dq , может быть получена как

(11.44) Ydc & PLL & CCm (s) = Ydcm (s) + YPLLdcm (s) + Yodcm (s),

, где

(11,45) Ydcm (s) = [I + Tdcm (s)] — 1Ydc0m (s) = [ I + Tdcm (s)] — 1Gclm (s) Gdccm (s) Gdcp (s) I1dqTYPLLdcm (s) = [I + Tdcm (s)] — 1YPLLm (s) Yodcm (s) = [I + Tdcm (s) ] −1Yodqm (s).

YPLLdcm (s) и Yodcm (s) — это измененные эквивалентные выходные проводимости, вводимые контуром управления PLL и контуром управления током на стороне преобразователя. Ydcm (s) — это новая эквивалентная выходная проводимость, вводимая внешним контуром DVC. Все они представляют собой матрицы размером два на два.

Стоит отметить, что связь между v dc и рабочим циклом d не рассматривается в этом методе моделирования, поскольку предполагается, что v dc отменяется нормализацией, как показано на рис. 11.4. Однако в этом случае переменная нормализации является константой и не может отменить динамику v dc , что вызовет сложную связь между контуром DVC и контуром управления током. Напряжение промежуточного контура в реальном времени, отобранное для нормализации, смягчит этот эффект связи, но из-за задержки управления и датчика динамику v dc нельзя полностью исключить в реальной системе.Более точная модель, основанная на функции переключения, может быть использована для моделирования эффекта связи [17].

(PDF) Определение запаса по фазе в конфигурации с замкнутым контуром

-14-

2. Графическое представление (

GR, пик) –1 f (|

Z |) на основе по крайней мере двух подходящих значений

Z

(следуя (A11) и рис. 4) и идентификации перехода через нуль в |

Z | 

PM.Этот график

легко построить, используя возможности постпроцессора программы моделирования (Per-

formance Analysis, PA). Для этой цели в разделе 3.2 предоставляется подходящая целевая функция GF f (1/

GR, пиковая)

.

Примечание: До сих пор рассматривались только сети второго порядка. Однако в ответе

систем более высокого порядка — с дополнительными полюсами и / или нулями — в большинстве случаев также преобладает однополюсная пара

.Следовательно, приведенные выше соображения также применимы к большинству других активных схем

, представляющих практический интерес. Это верно, в частности, если введенные дополнительные значения фазы сдвигают доминирующую пару полюсов

довольно близко к мнимой оси s-плоскости. По этой причине может быть полезно, чтобы

проходил через более чем два значения Z

во время анализа переменного тока. В этом случае должен применяться второй подход

для оценки экстремумов групповой задержки (Анализ производительности, целевая функция GF).

Ссылки

1. Миддлбрук Р.Д .: Измерение коэффициента усиления контура в системах с обратной связью. International Journal of

Electronics, 38, 485-512 (1975)

2. Джейкокс, Дж. М .: Инструменты CAE разрушают барьеры измерения обратной связи. Electronic Design, 28 мая,

117-120 (1987)

3. Хагеман, С.К .: Используйте современные методы SPICE для анализа цепей обратной связи.

IEEE Circuits and Devices Magazine, 5 (4), 54-55 (1989)

4. Тиан, М., Вишванатан, В., Хантган, Дж., Кундерт, К .: Стремление к стабильности слабых сигналов. IEEE

Circuits and Devices Magazine, 17, 31-41 (2001)

5. Джустолизи, Г., Палумбо, Г.: Подход к тестированию параметров разомкнутого контура усилителей обратной связи

. IEEE Transactions on Circuits and Systems — I: Fundamental Theory and

Applications, 49, 70-75 (2002)

Определение прироста и фазовой маржи на графиках Венейбла Боде

Уравнение 1, приведенное ниже, представляет собой передаточную функцию замкнутого контура системы отрицательной обратной связи с замкнутым контуром, где G — передаточная функция установки или силового каскада, деленная на коэффициент обратной связи 1 + GH.GH называется усилением разомкнутого контура или контура. Это усиление вокруг контура обратной связи.

Уравнение 1

На рисунке 1 усиление составляет 65 дБ на низких частотах и ​​пересекает линию 0 дБ на 32 кГц. Фаза начинается с нуля для очень низких частот и пересекает линию 180 градусов на частоте 169 кГц. Линии для 0 дБ и 180 градусов фазы совпадают на этом графике.

Рисунок 1

Запас по фазе — это величина сдвига фазы разомкнутого контура при единичном усилении, необходимая для нестабильности замкнутой системы.Это разница по фазе между фазовым сдвигом на 180 градусов и измеренной фазой при кроссовере единичного усиления. На рисунке 1 запас по фазе составляет 180-114,6 = 65,4 градуса.

Запас усиления в дБ — это величина усиления разомкнутого контура при фазовом сдвиге 180 градусов, делающая замкнутую систему нестабильной. Это разница между коэффициентом усиления 0 дБ и измеренным коэффициентом усиления, когда фаза пересекает 180 градусов. На рисунке 1 запас усиления составляет -20,7 дБ, и его можно определить прямо с графика.

Рисунок 2

В реальном мире, при использовании прибора для измерения коэффициента усиления контура обратной связи, коэффициент усиления контура фактически равен –GH.На рисунке 2 показано, как могло бы выглядеть реальное измерение. Отрицательный знак в усилении контура является инверсной частью отрицательной обратной связи, и график имеет 180 градусов дополнительного фазового сдвига. Фаза начинается с 180 градусов на очень низких частотах, и запас по фазе будет разницей в измеренной фазе и 360 градусов (360-294,6 = 65,4 градуса) в кроссовере с единичным усилением. Запас усиления в дБ теперь равен усилению разомкнутого контура при сдвиге фазы на 360 градусов, необходимом для нестабильности замкнутой системы (-20.7 дБ).

Рисунок 3 представляет собой график Венейбла Боде того же источника питания. Это устраняет утомительную задачу вычитания измеренной фазы из 360 градусов и позволяет пользователю считывать запас по фазе непосредственно с графика, как и запас по усилению. Фаза возвращается к положительным значениям путем добавления 360 градусов к любому измерению фазы, превышающему -180 градусов. Измерения в угловых градусах на расстоянии 360 градусов математически одинаковы. 360 градусов равны 0 градусам, а запас по фазе можно определить прямо с графика.

Рисунок 3

В заключение, диаграмма «усиление-фаза» Венейбла учитывает инверсию или сдвиг фазы на 180 градусов в усилении контура отрицательной обратной связи в реальных измерениях. На графике также используется фазовый сдвиг измеренной фазы более чем на 180 градусов, чтобы можно было определить запас по усилению и особенно по фазе путем проверки.

У новых пользователей или тех, кто не знаком с измерениями контуров обратной связи, часто возникают вопросы об использовании программного обеспечения и оборудования Venable.Мы намерены опубликовать серию учебных блогов специально для этих пользователей. Следующая запись в блоге будет посвящена уровням подачи напряжения для измерения усиления контура обратной связи.

Тепловое пересуммирование и фазовые переходы

Теперь рассмотрим стандартное вычисление потенциала Хиггса при конечной температуре в теориях BSM (см., Например, [18]). Мы называем тепловое пересуммирование массы высшего порядка [81,82,83] TFD, чтобы контрастировать с процедурой PD, которую мы рассматриваем и развиваем далее в разделах.3 и 4. Это позволит прояснить некоторые важные недостатки TFD.

В качестве теста BSM мы рассматриваем SM с добавленными \ (N_S \) действительными синглетными скалярными полями SM \ (S_i \), подчиняющимися симметрии \ (O (N_S) \) (или \ (\ mathbb {Z} _2) \) если \ (N_S = 1 \)). 2} \ right] -c_i \ right), \ end {выравнивается} $$

(2.6)

где \ (F = 1 (0) \) для фермионов (бозонов), \ (c_i = \ frac {3} {2} (\ frac {5} {2} \)) для скаляров / фермионов (векторов) , а \ (g_i \) — количество степеней свободы, связанных с частицей i .

Конечная температура

Квантовая теория поля конечных температур (FTQFT) позволяет вычислять наблюдаемые, такие как математические ожидания скалярного поля в вакууме, на фоне термостата. Соответствующие функции Грина могут быть вычислены путем вычисления времени в мнимом направлении, подробности см. В e.{-1} \) — стандартные функции распределения Ферми – Дирака / Бозе – Эйнштейна для конкретного выбора контура C . Первый член, который не зависит от n ( z ), является просто обычным петлевым интегралом при нулевой температуре, а второй член представляет собой новый вклад тепловых петель в плазме. Это делает такие эффекты, как тепловая развязка, очень очевидными — если масса частицы намного больше температуры, ее вклад во второй петлевой интеграл будет равен нулю как \ (n (z) \ rightarrow 0 \).4 \) теория: a однопетлевая поправка массы, которая квадратично расходится при нулевой температуре, b гирляндные вклады более высокого контура, которые являются ведущими в T и N при высокой температуре, c двухпетлевой вклад «леденец», который является субарендой в T и N в двухконтурную гирлянду, d трехпетлевой супердейзи, который является субарендой в T , но такого же порядка в N к трехконтурной шлейфе

, которые исчезают как \ (T \ rightarrow 0 \).2 \) эффективный потенциал (как при нулевой, так и при конечной температуре) включает мнимые вклады, которые обсуждались в [92]. Они связаны с шириной распада мод, расширенных вокруг нестабильных областей пространства поля, и не влияют на расчет фазового перехода. Поэтому мы всегда анализируем только реальную часть эффективного потенциала.

Пересуммирование тепловой массы: усеченная полная одевка (TFD)

Эффективный потенциал, определенный в уравнении. (2.10) можно оценить при разных температурах, чтобы найти \ (v_c \) и \ (T_c \).3 \) в эффективном потенциале, который может создать энергетический барьер между двумя вырожденными вакуумами. Однако расчет эффективного потенциала при конечных температурах все еще не завершен. Существует очень известная проблема, которую необходимо решить, чтобы получить достоверный расчет [81,82,83].

Этого можно ожидать по тому факту, что симметрия, нарушенная при нулевой температуре, восстанавливается при высокой температуре. Эффекты теплового контура превосходят не зависящий от температуры потенциал на уровне дерева.2. \ end {align} $$

(2.15)

(Фактически, если бы мы проигнорировали фермионы и калибровочные бозоны и установили \ (\ lambda = \ lambda _ {HS} = \ lambda _S \), наша эталонная модель BSM сократилась бы до этого случая с \ (N = N_S + 4 \).)

В FTQFT поведение при высоких температурах первого порядка для диаграмм с внешними скалярными линиями напрямую связано с 0-температурной поверхностной степенью расходимости d . d \).2 \). Для надежности пертурбативного расширения с указанной выше заменой тепловой массы требуется

$$ \ begin {align} \ lambda \ ll 1, \ quad \ beta \ эквив \ frac {\ lambda TN} {\ mu} \ ll 1. \ end {выровнено} $$

(2.20)

Они достигаются за счет требования, чтобы отношение тепловой массы одного контура к закату и отношения двухконтурной гирлянды к трехконтурной гирлянде было небольшим.

Чтобы проиллюстрировать, как эта процедура пересуммирования реализуется в большинстве вычислений BSM, давайте снова обратимся к нашей тестовой модели \ (SM + N_S \ times S \).i \) вместо высокотемпературного расширения. Это более точно, когда \ (m_i \) сравнимо с температурой, но в этом случае предположения, оправдывающие использование \ (V_ \ mathrm {ring} \), явно нарушаются, и уравнение. (2.21) — более последовательный выбор. На практике между этими двумя рецептами нет большой числовой разницы. Как мы обсуждаем в разд. 2.6, все эти расчеты TFD имеют проблемы, возникающие из-за использования только главного вклада \ (\ Pi _i \) в температуру.

Типы электрослабых фазовых переходов

Хорошо известно, что в СМ для \ (m_h \ gtrsim 70 \; \ mathrm {ГэВ} \) EWPT не первого рода [22, 23].Чтобы сделать ФП первого порядка, к СМ должны быть добавлены новые физические эффекты, чтобы создать энергетический барьер между двумя вырожденными вакуумами в \ (T = T_c \). Эти сценарии BSM можно в общих чертах разделить на несколько классов (см. Также [97, 115]) в зависимости от происхождения барьера между двумя вырожденными вакуумами. Это фазовые переходы, вызванные тепловыми эффектами, перенормируемыми эффектами на трех уровнях, петлевыми эффектами при нулевой температуре и неперенормируемыми операторами. Обратите внимание, что наша простая эталонная модель BSM реализует первые три из этих механизмов.Строгое изучение четвертого механизма потребует обновленной процедуры теплового пересуммирования, которую мы представляем в этой статье.

PT с тепловым эффектом BSM

Возможно, в плазме присутствуют бозонные степени свободы BSM. 2 \), эффективный потенциал уравнения.2 \). В СМ бозоны W и Z генерируют кубический член, но их вклад слишком мал, чтобы сделать SM EWPT первым порядком. Это может быть усилено в сценариях BSM путем частичного сокращения между тепловой массой нового бозона и отрицательной голой массой в \ (T = T_c \).

Этот сценарий долгое время считался одним из самых многообещающих направлений для EWBG, поскольку световые остановки в суперсимметрии могут служить этими новыми бозонными степенями свободы (DOF) [50,51,52,53,54,55,56,57 , 58,59,60].С тех пор измерения связи Хиггса исключили эту возможность для MSSM [61, 62] и общих моделей с цветными скалярами [63, 64]. Другие сценарии, включая тестовую модель SM + \ (N_S \ times S \), которую мы исследуем здесь, могут легко реализовать эту возможность [63, 64].

Масса этих легких бозонных степеней свободы BSM не может значительно превышать \ (T_c \ sim \ mathcal {O} (100 \; \ mathrm {ГэВ}) \), чтобы гарантировать отсутствие подавления их теплового вклада. Это делает такие сценарии EWBG первыми кандидатами на открытие на LHC и, возможно, в будущих коллайдерах.Поэтому чрезвычайно важно надежно коррелировать предсказанные сигнатуры коллайдера с областями пространства параметров, которые допускают сильный фазовый переход.

Этот механизм основан на частичном сокращении между массой с нулевой температурой и тепловой массой. Однако в стандартном расчете тепловая масса вычисляется только в первом порядке при высокотемпературном расширении. Это вызывает беспокойство, поскольку (а) даже при расширении с высокой температурой теплоносителя вспомогательные члены в расширении могут изменить тепловую массу на \ (\ mathcal {O} (40 \%) \) или более [116], и (b ) тепловая масса должна уменьшаться для ненулевых значений математического ожидания Хиггса, поскольку бозоны становятся тяжелее как \ (h \ rightarrow v_c \) и частично отделяются от плазмы.Это может повлиять на электрослабый фазовый переход и соответствующие предсказания для наблюдаемых на коллайдере параметров из сильного EWPT. Решение этого вопроса будет одной из основных целей нашей работы.

PT, управляемый перенормируемыми эффектами на уровне дерева

К потенциалу Хиггса СМ можно добавлять новые скаляры, см., Например, [24, 34, 37, 117]. В этом случае можно изменить древовидную структуру вакуума. Например, Вселенная может сначала перейти к ненулевой VEV дополнительного синглета, а затем перейти в другой вакуум с ненулевым VEV при более низкой температуре.Также возможно смешивание Хиггса с новой глубиной резкости (т.е. как Хиггс, так и новая глубина резкости приобретают VEV в нашем вакууме). В этом случае трехуровневый потенциал может иметь барьер между началом координат и минимумом EWSB, что приводит к сильному одноступенчатому фазовому переходу при конечной температуре.

Эти управляемые деревом одно- или двухступенчатые ПП легко могут быть очень сильными первого порядка, но также могут вызывать неуправляемые пузыри, которые несовместимы с достаточной генерацией BAU [118]. С другой стороны, сильная природа этих ФП может сделать их обнаруживаемыми в будущих наблюдениях за гравитационными волнами [113].Поэтому важно понимать, какие области пространства параметров связаны с этими типами фазовых переходов.

Возможна интригующая версия двухэтапного сценария EWBG, когда к SM добавляется тройной скаляр [47,48,49]. В этом случае барионная асимметрия может быть создана при первом переходе в триплетную VEV-фазу и сохранена при втором переходе в дублетную VEV-фазу, в которой Вселенная обитает при нулевой температуре.

PT, управляемый петлевыми эффектами при нулевой температуре

Новые степени свободы со значительными связями с Хиггсом могут создавать неаналитические вклады в \ (V_ \ mathrm {CW} \) при нулевой температуре, которые «поднимают» локальный минимум \ (h = v \) до более высокого потенциала. относительно происхождения, по сравнению с SM.С этой более мелкой потенциальной ямой тепловые вклады бозонов SM Z и W могут быть достаточно сильными, чтобы генерировать кубический потенциальный член при конечной температуре, что приводит к сильному ФП. Это недавно обсуждалось в контексте будущих сигнатур коллайдеров в [111], и мы обобщим их феноменологические результаты в этой статье.

ПТ, управляемый неперенормируемыми операторами

Предыдущие два класса фазовых переходов в первую очередь связаны с эффектами нулевой температуры степеней свободы BSM на потенциал Хиггса.Если эти состояния достаточно тяжелые, было бы разумно параметризовать некоторые из их эффектов в рамках EFT, добавив набор или неперенормируемые операторы к потенциалу SM Хиггса. Это было использовано для корреляции отклонений самосвязи Хиггса с сильным EWPT [90,91,92].

Хотя EFT-анализ полезен для анализа широких классов новых физических эффектов, их построение и применимость при конечной температуре не совсем понятны. Footnote 1 В экспериментах при нулевой температуре, таких как моноэнергетические столкновения с энергией E , эффекты пертурбативно связанной частицы с массой m могут быть хорошо описаны с помощью EFT, если \ (m / E> 1 \). 2 \) не зависит от масс частиц.Отсутствие развязки степеней свободы большой массы в полном теоретическом расчете явно нефизично, что мешает нам понять радиус конвергенции EFT в пространстве поля и температуре. Это является еще одним сильным мотивом для более бережного обращения с тепловыми массами.

Проблемы со стандартным однопетлевым TFD-вычислением фазового перехода

Есть несколько способов, которыми стандартный расчет с TFD-пересуммированием тепловой массы, как описано выше, является неполным и может быть расширен.

  1. 1.

    Resumming Goldstones: При нулевой температуре вклады SM Goldstone должны быть пересуммированы, чтобы устранить нефизическое расхождение в производных \ (V_ \ mathrm {CW} \), когда их массы на уровне дерева равны нулю [120, 121]. Числовые эффекты вкладов Голдстоуна после пересчета малы, поэтому мы можем справиться с этим, не включая Голдстоуна в петлевые вычисления определенных связей.В схеме \ (\ overline {\ mathrm {MS}} \) это не (числовая) проблема, если VEV Хиггса на древовидном уровне несколько смещен от VEV Хиггса на уровне цикла.

  2. 2.

    Зависимость от калибровки: Поскольку потенциал выводится из зависящего от калибровки эффективного действия 1PI, \ (v_c \) не является независимой от калибровки величиной. В стандартном расчете с фиксированной калибровкой Ландау мы вычисляем \ (v_c / T_c \) как прокси для энергии сфалерона в разорванной фазе (которая не зависит от калибровки) и требование, чтобы \ (v_c / T_c> 0.2) \) и, следовательно, основной вклад в тепловую массу не зависит от калибровки. Это означает, что \ (T_c \) имеет только небольшую калибровочную зависимость, подтвержденную [80] для малых значений \ (\ xi \). Более того, для синглетных расширений новые вклады в потенциал, вызывающие сильный фазовый переход, по определению не зависят от калибровки. Поэтому мы не рассматриваем здесь вопрос о калибровочной зависимости и продолжим стандартный расчет Ландау с фиксированной калибровкой. Конечно, необходима дальнейшая работа, чтобы построить полностью независимый от калибровки общий расчет силы электрослабого фазового перехода и понять, насколько чувствительны результаты расчета с фиксированной калибровкой к выбору калибровочного параметра.

  3. 3.

    RG-улучшение: сходимость однопетлевого эффективного потенциала может быть улучшена за счет использования ходовых муфт с 2-петлевыми RGE. Это не зависит от других усовершенствований вычислений и является наиболее важным, когда теория содержит значительные иерархии масс. Мы не будем здесь обсуждать это дальше.

  4. 4.

    Поправки верхнего контура: можно оценить вклады верхнего контура в эффективный потенциал при нулевой и конечной температуре, например, леденец с двумя контурами, который не включается посредством теплового пересуммирования массы. В качестве альтернативы, оценки этих вкладов могут использоваться для определения надежности однопетлевого разложения. В наших расчетах BSM мы будем осторожно делать последнее, используя приближения с высоким значением T для соответствующих диаграмм.2 \) в однопетлевой потенциал, как показано в уравнении. (2.21). Это также называется «повторным суммированием жестких тепловых петель», поскольку оно сводится к повторному суммированию только вклада в пропагатор нулевой моды Мацубары. Это действительно правильно, если эти вклады преобладают в сумме диаграмм, что имеет место в крайнем пределе высокотемпературного приближения.

    Ранние расчеты, в которых использовалось это приближение [81,82,83, 122], были в основном заинтересованы в восстановлении электрослабой симметрии при высоких температурах.Определение \ (T_c \) с разумной точностью требует только рассмотрения происхождения потенциала Хиггса, когда в массах верхнего и калибровочного бозонов полностью доминируют тепловые эффекты. В этом случае усеченное высокотемпературное расширение T для \ (\ Pi _i \) оправдано, хотя есть значительные отклонения, которые возникают из-за дополнительных членов в высокотемпературном расширении даже в начале координат.

    Однако при изучении сильного фазового перехода первого рода и вычислении \ (v_c \) мы должны иметь дело с конечными отклонениями в пространстве поля, которые по определению сравнимы с температурой.Для \ (h \ sim T \) массы, которые зависят от VEV Хиггса из-за связи Хиггса, достаточно сильной, чтобы влиять на PT, перестают быть малыми на уровне дерева по сравнению с тепловыми эффектами и должны начать плавно отделяться от плазмы. Следовательно, важна результирующая h -зависимость \ (\ Pi _i (h, T) \). Это особенно актуально, когда сильный фазовый переход вызывается легкими бозонами в плазме и, следовательно, зависит от частичного сокращения между нулевой температурой массы и поправкой на тепловую массу.Получение правильных предсказаний коллайдера сильной EWPT требует выхода за рамки схемы TFD.

    Как упоминалось ранее, повторное суммирование тепловой массы с высоким значением T также несовместимо с какой-либо структурой EFT для вычисления электрослабого фазового перехода, поскольку в этом приближении вклад тяжелых степеней свободы в тепловые массы не разделяется. Это затрудняет попытки найти последовательное EFT-описание теорий при конечной температуре.Поскольку EFT являются таким мощным инструментом для понимания общих новых физических эффектов при нулевой температуре, строгое обобщение их использования на конечную температуру является весьма мотивированным.

Мы сконцентрируемся на решении проблем, связанных с пересуммированием тепловой массы TFD. Некоторые из необходимых компонентов описаны в литературе. Понятно, что полное определение тепловой массы при конечной температуре может дать ответы, существенно отличные от высокого расширения T для тепловой массы [116].4 \) теории [84,85,86,87,88,89], но никогда в полном расчете BSM без высокотемпературных приближений.

Мы выполним согласованное (до сверхдискового порядка) расчет тепловой массы при конечных температурах путем численного решения связанного уравнения зазора и пересчета его вкладов таким образом, чтобы избежать неправильного учета важных вкладов более высокого контура. Поскольку нас интересует эффект добавления новых скаляров BSM в SM для генерации сильного EWPT, мы будем выполнять эту процедуру только в скалярном секторе.Теперь мы объясним это в следующем разделе.

Глава 2, Руководство по детекторам трафика: Третье издание — Том I

Этот отчет представляет собой заархивированную публикацию и может содержать техническую, контактную и техническую информацию с указанием даты

Номер публикации: FHWA-HRT-06-108
Дата: май 2006 г.

ГЛАВА 2.СЕНСОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

В этой главе описывается работа датчиков проезжей части и проезжей части. Представленные технологии включают в себя индуктивные петлевые детекторы, магнитометры, процессоры видеоизображений, микроволновые радарные датчики (обнаружение присутствия и доплеровские), лазерные радарные датчики, пассивные инфракрасные датчики, ультразвуковые датчики, пассивные акустические датчики и устройства, в которых используется комбинация технологий. Информация предназначена для того, чтобы дать практикующему инженеру по дорожному движению и инженеру-электрику знания, необходимые для выбора подходящей сенсорной технологии для конкретных приложений.

ДЕТЕКТОРЫ ИНДУКТИВНОЙ ПЕТЛИ

С момента своего появления в начале 1960-х годов датчик с индукционной петлей стал наиболее часто используемым датчиком в системе управления дорожным движением. Основными компонентами системы индуктивного детектора являются:

  • Один или несколько витков изолированного контурного провода, намотанного в неглубокой прорези, пропиленной в мостовой.
  • Подводящий кабель от тягового ящика к бордюру к шкафу управления перекрестками.
  • Блок электроники, расположенный в соседнем шкафу контроллера.

На рис. 2-1 показана условная схема системы индуктивного детектора, а также транспортных средств и стальных элементов арматуры на проезжей части, с которыми она реагирует.

Рисунок 2-1. Индуктивно-петлевой детектор (условный).

Электронный блок передает энергию в проволочные петли на частотах от 10 кГц до 200 кГц, в зависимости от модели. Система индуктивного контура ведет себя как настроенная электрическая цепь, в которой провод контура и подводящий кабель являются индуктивными элементами.Когда транспортное средство проезжает по петле или останавливается внутри петли, транспортное средство наводит вихревые токи в проводных петлях, которые уменьшают их индуктивность. Пониженная индуктивность приводит в действие выходное реле электронного блока или твердотельный оптически изолированный выход, который посылает на контроллер импульс, указывающий на проезд или присутствие транспортного средства.

Транспортные средства, проезжающие или останавливающиеся в зоне обнаружения индуктивного детектора, уменьшают индуктивность контура.Блок электроники воспринимает это событие как уменьшение частоты и отправляет на контроллер импульс, указывающий на проезжание или присутствие транспортного средства.

В следующих разделах описывается теория индуктивной системы, характеристики контура и электронный блок.

ТЕОРИЯ РАБОТЫ

Принципы работы детекторной системы с индуктивным контуром, обсуждаемые ниже, являются общими для всех конструкций систем с индуктивным контуром, описанных в главе 4.Контурный провод и подводящий кабель содержат комбинацию сопротивления, индуктивности и емкости (как межпроводную, так и межпроводную связь с землей).

СОПРОТИВЛЕНИЕ ПЕТЛИ И КАБЕЛЯ
Для проводов с индуктивным контуром, подводящих проводов и вводных кабелей

обычно используется провод № 12, № 14 или № 16 американского калибра проводов (AWG) с сопротивлением низкой частоте или постоянному току, измеряемым в единицах Ом (). Сопротивление проволоки обратно пропорционально квадрату диаметра проволоки и увеличивается с уменьшением диаметра проволоки.Вольт-омметр (ВОМ) измеряет сопротивление постоянному току. Сопротивление провода протеканию переменного тока увеличивается с увеличением частоты, потому что проводящая площадь провода уменьшается из-за неоднородного потока внутри провода. Сопротивление на высоких частотах нельзя измерить с помощью VOM, но его можно получить путем измерения добротности, как это определено далее в этой главе.

Петля на проезжей части также содержит наведенное сопротивление (называемое сопротивлением заземления), вызванное трансформаторной связью между петлей и индуцированными токами, протекающими в дорожном полотне и материалах земляного полотна.В Приложении А приводится подробный вывод сопротивления заземления. Таблица 2-1 содержит значения сопротивления постоянному току или низкочастотного сопротивления для имеющихся в продаже контурных проводов и вводных кабелей.

Таблица 2-1. Сопротивление кабелей, которые обычно встречаются в детекторных системах с индуктивным контуром.
Тип провода или кабеля производителя Функция Калибр провода (AWG) Сопротивление постоянному току (/ фут)
9438 Контурный провод 14 0.0025
8718 Вводной кабель 12 0,0019
8720 Вводной кабель 14 0,0029
8719 Вводной кабель 16 0,0045
ИНДУКТИВНОСТЬ КОНТУРА

Все проводники, по которым проходит электрический ток, образуют линии магнитного потока, которые окружают формирующий их ток.Магнитный поток вызывает электрическое свойство, называемое индуктивностью, которое измеряется в генри (Гн). Индуктивность провода называется самоиндукцией. Если поток от тока, протекающего по одному проводу, переходит в другие провода, результирующая индуктивность называется взаимной индуктивностью.

На рис. 2-2 показан поток вокруг однооборотной проволочной петли. Плоскость, содержащая поток, перпендикулярна току в проводе, где направление потока определяется правилом правой руки. Это правило применяется следующим образом: поместите правую руку под провод с пальцами, загнутыми в направлении силовых линий.Большой палец указывает в направлении тока. Внутри контура все силовые линии имеют одинаковое направление.

На рис. 2-3 показаны линии магнитного потока для соленоида или катушки, длина которых больше диаметра. Магнитный поток внутри катушки однороден, за исключением концов. Магнитное поле для этой геометрии катушки равно

.

(2-1)

, где

H = Магнитное поле, ампер-витков на метр, не путать с единицами индуктивности в генри
Н = Число витков
I = Ток катушки, амперы
л = Длина змеевика, метры.


Рисунок 2-2. Магнитный поток вокруг петли. Черные стрелки представляют ток, протекающий в проводе, а белые стрелки — индуцированный поток, определяемый правилом правой руки.


Рисунок 2-3. Магнитный поток для соленоида (катушки). Черные стрелки представляют поток тока, в то время как круги с черным центром и центром «X» представляют индуцированный поток потока из и в плоскость рисунка, соответственно.

Поскольку магнитный поток внутри катушки однороден, он равен

.

(2-1)
, где

= Магнитный поток, сетка
B = Плотность магнитного потока, сетка на м 2
A = Площадь поперечного сечения катушки, м 2 .

Плотность магнитного потока выражается как

(2-3)
, где

r = относительная проницаемость материала (1 для воздуха)

0 = 4 x 10 -7 генри на метр.

Индуктивность катушки определяется как

(2-4)
, где

L = индуктивность, генри
Н = количество витков
I = ток катушки, амперы.

Индуктивность катушки, длина которой намного превышает площадь катушки для обеспечения равномерного магнитного потока внутри катушки, определяется по формуле

(2-5)

Индуктивный контур проезжей части имеет неоднородное магнитное поле, которое создает значение индуктивности, заданное уравнением 2-6.

Это уравнение показывает, что индуктивность катушки прямо пропорциональна квадрату витков и площади катушки и обратно пропорциональна длине катушки.Хотя формула индуктивности в том виде, в каком она написана, не применима напрямую к индуктивной петле дороги, формула может быть изменена с коэффициентом F ‘для учета неоднородного потока в индуктивной петле дороги. Таким образом,

(2-6)

Уравнение 2-6 применяется к расчету индуктивности контура в Приложении B. В этом случае l упоминается как «длина токового листа». Уравнение 2-6 показывает, что железо с относительной проницаемостью больше единицы увеличивает индуктивность контура.Хотя наибольшее увеличение индуктивности происходит, когда железный сердечник проходит непосредственно через контур, железная масса двигателя транспортного средства, трансмиссии или дифференциала немного увеличивает индуктивность контура. Это состояние называется «ферромагнитным эффектом».

ФЕРРОМАГНИТНЫЙ ЭФФЕКТ И ОБНАРУЖЕНИЕ АВТОМОБИЛЯ

Однако ферромагнитный эффект, создаваемый железной массой двигателя, трансмиссии или дифференциала, не создает индикацию присутствия или прохождения контроллером.Когда тяжелый двигатель из черных металлов входит в зону обнаружения индуктивного контура, он увеличивает индуктивность проволочного контура. Этот эффект возникает из-за того, что введение любого железного сердечника в поле любого индуктора снижает сопротивление (то есть член, который соответствует сопротивлению магнитной цепи) пути потока и, следовательно, увеличивает полезную индуктивность. Однако периферийный металл транспортного средства оказывает противоположное влияние на индуктивность из-за возникающих вихревых токов. Уменьшение индуктивности из-за вихревых токов более чем компенсирует увеличение массы железа в двигателе, и в итоге получается общее снижение индуктивности проволочного контура.

Ферромагнитный эффект увеличивает индуктивность контура. Однако вихревые токи, вызванные транспортным средством, еще больше уменьшают индуктивность контура. Следовательно, результирующий эффект — уменьшение индуктивности контура, когда транспортное средство проходит через зону обнаружения индуктивного контура.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕТЛИ

Детектор с индуктивной петлей предоставляет инженерам по дорожному движению широкий диапазон геометрии для удовлетворения разнообразных приложений управления сигналами дорожного движения, как описано в главе 4.Размер и количество витков петли или комбинации петель вместе с длиной подводящего кабеля должны давать значение индуктивности, совместимое с диапазоном настройки электронного блока и другими требованиями, установленными транспортным потоком. инженер. Стандарты NEMA для индуктивных детекторов (см. Приложение J) определяют, что блок электроники должен обеспечивать удовлетворительную работу в диапазоне индуктивности от 50 до 700 микрогенри (мкГн). Некоторые блоки допускают гораздо большие значения индуктивности, например, от нескольких последовательно соединенных контуров.Хотя более высокие значения индуктивности технически возможны, NEMA установило консервативный верхний предел, чтобы продвигать методы, совместимые со всеми существующими блоки электроники.

ЕМКОСТЬ КОНТУРА

На рис. 2-4 показаны основные явления емкостной связи, которые существуют между (1) самими проводами контура и (2) проводами контура и боковыми стенками паза для распиловки. Емкость, относящаяся к пазу пилы, прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости материала уплотнения паза.На рисунке 2-5 показана эквивалентная электрическая схема, представляющая сопротивление провода индуктивной петли R s , индуктивность L s и емкость C p , которые образуются при установке петли на дорожном покрытии.


Рисунок 2-4. Емкостная связь между самими проводами контура и боковыми стенками паза.


Рисунок 2-5. Эквивалентная электрическая схема для индуктивного контура с емкостной связью с боковыми стенками паза пропила.

Данные измерений на Рисунке 2-6 показывают влияние емкости C p на увеличение индуктивности на выводах контура при увеличении рабочей частоты. (1) Если материал уплотнения паза гигроскопичен (т.е. легко впитывает и удерживает воду) или неполный (т. е. не заполняет прорезь или не герметизирует провода, позволяя воде проникать в прорезь и проникать между витками контурного провода), изменение емкости и, следовательно, индуктивности будет большим из-за большой диэлектрической проницаемости воды .


Рисунок 2-6. Средние значения индуктивности контура в зависимости от частоты измерения для последовательного, параллельного и последовательно-параллельного соединения индуктивных контуров 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м). Графики представляют кривые, соответствующие измеренным данным.

Емкость системы контура должна быть минимизирована для правильной работы на частотах 10 килогерц (кГц) и выше.

Таким образом, изменение емкости из-за воды может привести к нестабильной работе детектора индуктивного контура.На частотах 1 килогерц (кГц) влияние емкости незначительно. На частотах 10 кГц и выше важен емкостной эффект. Когда индуктивность контура измеряется на частоте 20 кГц или выше, необходимо указать частоту измерения, поскольку измеренная индуктивность зависит от частоты. Большое количество витков на контурах большой площади дополнительно увеличивает емкость контура и снижает частоту собственного резонанса контура (т. Е. Индуктивность контура не измеряется на выводах контура, когда контур является саморезонансным).

На рис. 2-6 также показано, как различные последовательные, параллельные и последовательно-параллельные конфигурации проводных контуров влияют на результирующую индуктивность контура и скорость ее изменения с частотой. Влияние метода подключения на индуктивность системы обсуждается далее в разделе «Расчет индуктивности системы контура» далее в этой главе.

КОЭФФИЦИЕНТ КАЧЕСТВА ПЕТЛИ Q

Резонансный КПД контура выражается через безразмерную добротность Q .Если потери в катушке индуктивности велики, Q малы. Идеальный индуктор не имеет потерь; следовательно, в катушке индуктивности нет рассеивания энергии, и Q бесконечен.

Коэффициент качества контура Q является мерой потерь в системе детектора с индуктивным контуром.

Общие потери энергии в катушке индуктивности с потерями рассчитываются путем моделирования катушки индуктивности как эквивалентной катушки индуктивности без потерь, соединенной последовательно с резистором.Добротность равна отношению индуктивного реактивного сопротивления к резистивным потерям катушки индуктивности. Поскольку индуктивное реактивное сопротивление является величиной, зависящей от частоты, частота должна быть указана при измерении добротности. Формула для Q записывается как
(2-7)

где

Q = добротность
= 3,14159 (постоянная)
f = частота возбуждения системы индуктивного контура, Гц
L S = индуктивность последовательного контура, генри
R S = Сопротивление последовательного контура, Ом
= Радианная частота = 2 f .

Резонансная частота 0 эквивалентной индуктивной петле электрической цепи, представленной на Рисунке 2-5, равна
(2-8)

Из уравнения 2-7,

(2-9)

Следовательно, уравнение для коэффициента качества контура Q 0 резонансного контура принимает вид

(2-10)

Электронный блок добавляет сопротивление нагрузки R L параллельно конденсатору C P , показанному на эквивалентной индуктивной петле электрической цепи на Рисунке 2-5.Эффект R L заключается в снижении добротности. Результирующий коэффициент качества равен
(2-11)

или

(2-12)

, где R ‘ P — преобразованное последовательное сопротивление параллельно с R L .

Нагруженная добротность Q L схемы на Рисунке 2-5 с сопротивлением нагрузки R L параллельно конденсатору C P составляет

(2-13)

При установке индуктивных детекторов рекомендуются коэффициенты качества 5 и выше, поскольку генераторы в большинстве электронных блоков не будут работать с низким значением Q .Влага в мостовой и земляном полотне может увеличить сопротивление заземления контура, так что Q системы индуктивного контура упадет ниже 5, тем самым снизив чувствительность большинства электронных блоков индуктивного контура. Емкость контура также уменьшит Q .

Фактор качества под нагрузкой Q L , заданный уравнением 2-13, применяется к приложениям с низкими потерями, где коэффициент качества велик и может быть легко измерить.С другой стороны, индуктивные петлевые детекторы, используемые на дорогах, не так хорошо приспособлены к вышеупомянутому анализу, потому что индуктивность распределена по петле и подводящему кабелю и ее трудно измерить. Расчет добротности для дорожных петель еще больше усложняется из-за большего фактического сопротивления петлевого провода и подводящего кабеля по сравнению с последовательным значением, измеренным с помощью омметра. Дополнительные потери возникают из-за высокочастотного возбуждения и токов заземления в дорожном покрытии, связанных с конфигурацией петли и дорожной обстановкой вблизи провода.В результате, Q с идентичной конфигурацией проводов будет варьироваться от места к месту.

Потери, вызванные возбуждением высокочастотной петли и токами заземления в мостовой около провода, дополнительно снижают добротность. В результате, Q с идентичной конфигурацией проводов будет варьироваться от места к месту.

На рисунке 2-7 показано вычисление коэффициента качества индуктивной системы с использованием Q 0 и Q P .В таблицах с 2-2 по 2-4 перечислены рассчитанные коэффициенты качества для прямоугольных, квадрупольных и круглых индуктивных контуров соответственно на 1, 2, 3, 4 и 5 витков. В этих таблицах петли возбуждаются на частоте 20 кГц с поперечным расстоянием между проводниками и / или квадруполями 200 мил. Все индуктивность и добротность являются кажущимися значениями (т. Е. Включаются емкость и сопротивление контура).

Рисунок 2-7. Расчет выборки добротности замкнутой системы.

Таблица 2-2. Индуктивность прямоугольного контура и параметры добротности при f = 20 кГц.*

* Петля 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м). ** С вводным кабелем.

Петля диаметром 7 футов (2,1 м).

ПРОВОД ВХОДНОЙ ПЕТЛИ

Таблица 2-5 содержит значения индуктивности, емкости и сопротивления подводящего провода коробки «петля-тяга» для двух распространенных типов проводов. Два подводящих провода от начала и конца витков петли должны быть скручены вместе, чтобы сформировать симметрично скрученную пару от петли к вытяжной коробке. Скручивание снижает перекрестные помехи и шум в подводящем проводе.Большинство производителей рекомендуют не менее пяти витков на фут (16,5 витков на метр). Скрутки проволоки образуют небольшие петли вдоль проволоки, чередующиеся по направлению намотки. Внешнее магнитное поле из-за шума или перекрестных помех индуцирует напряжения в небольших контурах, которые почти устраняются, тем самым уменьшая помехи. Важность скручивания подводящего провода обсуждается далее в главе 5.

Таблица 2-5. Характеристики подводящего провода витой петли.
Изготовитель и тип провода Тип изоляции провода Номер AWG Диаметр оболочки (мил) Число витков на фут Индуктивность (H / фут) Емкость (пФ / фут) Сопротивление (/ футов)
XHHW Сшитый полимер 14-ти ниточный 130 от 3 до 4 0.24 10 0,006
Belden 9438 Полиэтилен высокой плотности 14-витой 139 5,5 0,22 10 0,00252
ВВОДНЫЙ КАБЕЛЬ

Экранированные скрученные пары проводов используются для подводящего кабеля (кабеля домашней прокладки), который проходит от вытяжной коробки к клеммам электронного блока в шкафу контроллера. Проводящий экран снижает помехи от внешних электрических полей.Значения индуктивности, емкости и сопротивления подводящего кабеля для нескольких типов кабеля приведены в таблице 2-6.

Таблица 2-6. Технические характеристики вводного кабеля для коммерческого использования.
Производитель и тип кабеля Тип изоляции провода Номер AWG Диаметр изоляции (мил) Тип изоляции кабеля Индуктивность (H / фут) Емкость (пФ / фут) Сопротивление (/ фут)
Belden 8718 Полиэтилен 12 37 Винил 0.2 25 0,0019
8720 Полиэтилен 14 32 Винил 0,2 24 0,0029
8719 Полиэтилен 16 32 Винил 0,2 23 0,0045
Клиффорд IMSA Полиэтилен 12 30 Полиэтилен 0.2 25 0,0016
Спецификация Полиэтилен 14 30 Полиэтилен 0,2 24 0,0025
50-2-1984 Полиэтилен 16 30 Полиэтилен 0,2 23 0.0040

Измерения коэффициента качества петлевой системы (при 100 футах (30 м) экранированного подводящего кабеля, подключенного к петле) в Приложении D показывают, что от использования проводов большего диаметра в экранированных выводах мало пользы. в кабеле. Например, коэффициент качества, связанный с экранированным вводным кабелем № 14 AWG, существенно не снижается при замене кабеля № 12. Основные потери связаны с типом экранирования, а не с диаметром проводника. В таблице 2-7 показано, как тип и длина подводящего кабеля влияют на коэффициент качества.

РАСЧЕТ ИНДУКТИВНОСТИ

Существует несколько упрощенных формул для расчета приблизительной индуктивности детектора с индуктивной петлей. Более точные значения индуктивности получаются с помощью метода взаимной связи, описанного в Приложении A.

Упрощенные формулы обеспечивают приемлемую точность самоиндукции многооборотных, прямоугольных, квадрупольных и круглых контуров, которые имеют большую площадь относительно расстояния между проводниками. Приближения выгодно отличаются от диапазона измеренных значений индуктивности индуктивного контура.

Приложение C содержит расчетные значения индуктивности контура для контуров различных размеров и форм (прямоугольных, квадрупольных и круглых). Индуктивность и добротность для нескольких витков провода были рассчитаны с использованием формулы взаимной связи, обсуждаемой далее в этой главе.

Размер контура 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м). Частота возбуждения 20 кГц.
* Измеренное последовательное сопротивление петли на высоте 3 фута (0,9 м) над полом лаборатории.
** Расчетное значение сопротивления 8719.
† Длина подводящего кабеля составляет 100 футов.

РАСЧЕТ ИНДУКТИВНОСТИ КОНТУРНОЙ СИСТЕМЫ

Индуктивность вводного кабеля добавляется к индуктивности контура провода из расчета 21 Гн на 100 футов (30 м) вводного кабеля # 14 AWG. Например, прямоугольная петля размером 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м) должна иметь три витка в соответствии с Приложением C и индуктивность 74 Н. Если длина подводящего кабеля составляет 200 футов (61 м). по длине общая индуктивность

(2-14)

Индуктивность L двух или более контуров, соединенных последовательно, является аддитивной, так что L = L 1 + L 2 ± 2M , где L 1 и L 2 представляют собой индуктивность каждого из отдельных последовательно соединенных контуров, M — взаимную индуктивность между двумя контурами, а знак M является положительным, если магнитный поток увеличивается током, текущим в том же направлении в ближайший к нему шлейф.

Взаимная индуктивность незначительна, когда контуры разделены большим расстоянием. В этом случае L = L 1 + L 2 , т. Е. Контуры соединены последовательно, обеспечивая максимальную индуктивность контура.

Если контуры соединены параллельно, то общая индуктивность рассчитывается как 1/ L = 1/ L 1 + 1/ L 2 . Например, объединенная индуктивность двух 6х6 футов (1.8 x 1,8 м) петли из трех витков, каждый из которых соединен параллельно, определяется как

(2-15)

Таким образом, 2L = 74 H и L = 37 H.

Таким образом, параллельное соединение шлейфов снижает индуктивность. Хорошая практика проектирования требует, чтобы индуктивность комбинированного контура была больше нижнего предела в 50 Н. Следовательно, описанное выше параллельное соединение не подходит в качестве датчика транспортного средства.

В некоторых случаях желательно как последовательное, так и параллельное соединение индуктивных контуров.Рассмотрим, например, четыре трехвитковых контура 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м), установленных на расстоянии 9 футов (2,7 м) друг от друга, чтобы обеспечить обнаружение на полосе левого поворота. На Рисунке 2-8 показаны три возможных типа подключений. Последовательное соединение дает индуктивность 4 x 74 = 296 Гн. Параллельное соединение дает только 18,5 Гн ( 4L = 74 Гн, L = 18,5 мкГн). Последовательно-параллельная конфигурация, при которой две верхние петли соединены последовательно, а две нижние петли соединены последовательно, образует две пары петель, которые затем соединяются параллельно, чтобы получить общую индуктивность 74 Гн.


Рисунок 2-8. Четыре трехвитковых контура размером 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м), соединенные последовательно, параллельно и последовательно-параллельно.

КОЛИЧЕСТВО НЕОБХОДИМЫХ ХОДОВ

Проволочные петли должны иметь достаточное количество витков, чтобы обеспечить номинальную минимальную индуктивность 100 Гн на петлю, чтобы гарантировать стабильную работу системы индуктивной петли. Эмпирическое правило для количества витков, необходимых для получения значения индуктивности в требуемом диапазоне:

  • Если периметр петли меньше 9 м (30 футов), используйте три витка провода.
  • Если периметр петли превышает 9 м (30 футов), используйте два витка провода.
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ КОНТУРА К ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕМУ ОБЪЕКТУ

Ток, протекающий через контурный провод, создает магнитное поле вокруг провода, как это задается уравнениями 2-1, 2.1 и 2-3. Если транспортное средство (или любой другой электропроводящий объект) входит в это магнитное поле, и магнитное поле или составляющая магнитного поля перпендикулярны области объекта, в проводящем объекте индуцируются вихревые токи.Вихревые токи создают другое магнитное поле, которое противодействует магнитному полю петли, вызывая уменьшение общего магнитного поля вокруг петли. Поскольку индуктивность контура пропорциональна магнитному потоку, индуктивность контура уменьшается.

Вихревые токи индуцируются в электропроводящем объекте, таком как металлическое транспортное средство, магнитным полем, создаваемым током, протекающим через проволочную петлю. Затем вихревые токи создают магнитное поле, которое противодействует исходному магнитному полю, создаваемому индуктивной петлей.В результате уменьшается индуктивность контура.

Чувствительность контура к проводящему объекту можно проверить с помощью провода длиной 12 дюймов (30 см), сформированного в круг диаметром примерно 4 дюйма (10 см). Круговая петля образует разомкнутую электрическую цепь, когда концы проводов удерживаются так, чтобы они не касались друг друга. Не должно происходить срабатывания, когда разомкнутый круговой контур быстро перемещается горизонтально по индуктивному контуру проезжей части. Когда концы круговой петли соприкасаются, образуя замкнутую цепь, прежде чем они будут проталкиваться через дорожную петлю, произойдет срабатывание из-за протекания вихревых токов.Это демонстрирует, что для срабатывания важен именно закороченный виток, а не масса провода или транспортного средства.

МОДЕЛИ ОБНАРУЖЕНИЯ ВЕЛОСИПЕДОВ И МОТОРИЗОВАННЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

На рис. 2-9 показано обнаружение велосипеда или мотоцикла с помощью индуктивной петли. Эти средства передвижения можно смоделировать как вертикальный проводящий объект относительно плоскости петли. Когда цикл проходит по контурному проводу, в проводящих ободах колес и раме индуцируются вихревые токи. Когда цикл проходит непосредственно над проводом контура, связь между индуктивным контуром и циклом максимальна.


Рисунок 2-9. Обнаружение велосипеда, показывающее индуцированные вихревые токи. Черные стрелки представляют ток в проводе контура, а белые стрелки — индуцированный поток.

Ходовая часть, напротив, является горизонтальной мишенью. Как показано на рис. 2-10, ходовая часть моделируется как проводящая прямоугольная пластина, ширина которой равна ширине транспортного средства, а длина равна длине транспортного средства при некоторой средней высоте шасси.

Проводящая сетка может использоваться для аппроксимации электрических характеристик непрерывной пластины. Когда сетка симметрично расположена над индуктивной петлей для обеспечения максимальной чувствительности, все индуцированные внутренние токи сетки нейтрализуются. Это приводит к протеканию одиночного индуцированного тока по периметру сетки, что эквивалентно однооборотной прямоугольной проволочной петле или закороченному витку. Трансформатор с воздушным сердечником справа на рис. 2-10 моделирует соединение между ходовой частью транспортного средства, представленное закороченным витком провода, и проводом индуктивного контура.

Максимальная чувствительность обнаружения автомобиля достигается за счет короткого замыкания на минимальном расстоянии от проводов контура. Следовательно, идеальный детектор с индукционной петлей имеет форму, которая приближается к периферии транспортного средства. То есть квадратная петля размером 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м) будет предпочтительнее петли размером с двигатель транспортного средства.

Из-за высоты ходовой части грузовики с высокой платформой трудно обнаружить. Обнаружение этих транспортных средств максимально, когда ширина петли равна ширине грузовика, если позволяет ширина полосы движения.Длина петли не должна быть меньше ее ширины, чтобы избежать потери чувствительности.


Рисунок 2-10. Модель ходовой части автомобиля. В верхней части рисунка изображены электрические модели ходовой части автомобиля, а в нижней — провод индукционной петли.

ВЗАИМНАЯ ИНДУКТИВНОСТЬ

Самоиндукция индуктивного контура определяется с помощью магнитного потока контура. Когда магнитный поток петли соединяется с транспортным средством, связанный поток используется для определения взаимной индуктивности.

На рис. 2-10 показана магнитная связь между контуром и закороченным витком, которая ведет себя как трансформатор с воздушным сердечником. Взаимная индуктивность между первичной цепью (т. Е. Индуктивной петлей) и вторичной цепью (т. Е. Закороченным витком) равна

.

(2–16)

, где

M 21 = взаимная индуктивность между контуром 1 (контур) и контуром 2 (закороченный виток), henrys
N 2 = количество витков (равно 1 для закороченного витка)
21 = Магнитный поток перпендикулярно области закороченного витка, перемычки
I 1 = Ток, протекающий в контуре, амперы.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПЕТЛИ

Чувствительность контура SL индуктивного детектора определяется как

(2-17)

Чувствительность контура равна изменению индуктивности системы контура, вызванному проводящим металлическим предметом, деленному на исходную индуктивность системы контура.

, где

L NV = индуктивность в отсутствие транспортного средства, генрис
L V = индуктивность при наличии транспортного средства, генри.
Чувствительность S L для трансформатора с воздушным сердечником, показанного на рисунке 2-10, при условии, что коэффициент качества Q больше 10, определяется как

процентов (2-18)

, где

K = коэффициент связи
M 21 = взаимная связь между петлей и закороченным витком, henrys
L 11 = собственная индуктивность петли, henrys
L 22 = Самоиндукция закороченного витка, Генрис.
Упрощенные выражения для самоиндукции и взаимной связи могут быть получены, если предположить, что влияние железа транспортного средства незначительно. Тогда r = 1 и собственная индуктивность дорожной петли длиной l 1 находится из уравнения 2-6 как

(2-19)

Индуктивность замкнутого витка длиной l 2 определяется как

(2-20)

Взаимная индуктивность между замкнутой петлей поворота и дорожной петлей определяется по формуле

(2-21)

, где

A V = Площадь ходовой части автомобиля, (метры) 2
d 21 = Расстояние между петлей и коротким поворотом, метров.
Тогда чувствительность выражается как

(2-22)
, где A V A .

Уравнение 2-22 показывает, что чувствительность уменьшается для участков петель, превышающих площадь ходовой части транспортного средства. Чувствительность уменьшается по мере удаления шасси от петли в квадрате. Чувствительность не зависит от количества витков контура; однако разведение поворотов немного увеличивает чувствительность за счет увеличения l 1 за счет более глубокого паза в проезжей части.

Приложение E содержит более сложные формулы для расчета S L для двухвитковых и других многооборотных индуктивных контуров. В этом приложении также доступны сравнения измеренной и рассчитанной чувствительности.

На рисунке 2-11 показано изменение чувствительности контура в зависимости от высоты ходовой части автомобиля для 6 x 2 фута (1,8 x 0,6 м), 6 x 4 футов (1,8 x 1,2 м) и 6 x Трехвитковые индукционные петли длиной 6 футов (1,8 x 1,8 м). Чувствительность 6 x 2 фута (1,8 x 0.6-м) петля небольшая из-за малой длины л 1 .


Рисунок 2-11. Расчетная чувствительность трехвитковых индуктивных контуров в зависимости от высоты шасси автомобиля.

На рисунке 2-12 показано уменьшение чувствительности контура, которое происходит при добавлении вводного кабеля длиной 200 футов (60 м) к контурам, указанным на рисунке 2-11. Петля 6 x 2 фута (1,8 x 0,6 м), вероятно, будет вдвое больше для грузовика с высокой платформой в этих условиях.

На рис. 2-13 показано уменьшение чувствительности контура для транспортного средства, центрированного в длинных индуктивных контурах с двумя витками, по сравнению с чувствительностью трехвитковых контуров.Чувствительность контура еще больше уменьшается при добавлении вводного кабеля.

ВЛИЯНИЕ АРМАТИВНОЙ СТАЛИ

На рис. 2-14 показано снижение чувствительности контура, которое происходит при установке индуктивного детектора на стальную арматурную сетку. Эффект от армирующей стали моделируется как закороченный виток на двойном расстоянии между ячейками от петли. Армирующая сталь уменьшает магнитное поле вокруг проводников проводов контура, что вызывает уменьшение индуктивности контура и чувствительности контура.В таблице 2-8 показано влияние на индуктивность контура при добавлении арматурной стали в основание дорожного покрытия. Значения консервативны, поскольку предполагается, что сетка является идеальным проводником. Современные электронные блоки индуктивного детектора способны обнаруживать транспортные средства, даже если контурный провод проложен на арматуре перед заливкой бетона.

Рисунок 2-12. Расчетная чувствительность трехвитковых индуктивных контуров с подводящим кабелем 200 футов (60 м) в зависимости от высоты шасси автомобиля.


1 фут = 0,3 м

Рисунок 2-13. Расчетная чувствительность двухвитковых длинных индуктивных контуров в зависимости от высоты ходовой части.


1 фут = 0,3 м

Рисунок 2-14. Расчетная чувствительность индукционной петли размером 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м) к арматурной стали.

Индуктивные контуры не функционируют как автомобильные датчики при установке над стальной арматурой, части которой соединены таким образом, что ток течет через арматуру.Этот индуцированный ток полностью или частично нейтрализует индуцированный транспортным средством ток в индуктивном контуре. Если расстояние между арматурными стержнями достаточно велико, токи могут не подавляться. И наоборот, если арматурный стержень не закорочен при установке, он не будет поддерживать поток противотоков, которые ухудшают работу индуктивного контура.

89607
Таблица 2-8. Влияние арматурной стали на индуктивность контура (H).
Число витков Без армирующей стали Сталь диаметром 1 дюйм Сталь диаметром 2 дюйма Сталь диаметром 4 дюйма
1 11 9 10 10
2 35 28 31 33
3 73 56 63 68
4 112
5 179 127 151 166
6 248 167 206 8 228 8 228 8 228 298

1 дюйм = 2.5 см

Эпоксидные покрытия, обычно наносимые на арматуру, по своей природе являются изоляционными. Однако характер процесса нанесения покрытия обычно оставляет в покрытии пустоты, через которые проходят токи. Количество допустимых пустот может быть указано в строительной документации. Противоток может увеличиваться в зимние месяцы в холодном климате, когда соли попадают на проезжую часть или настил моста.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ КОНТУРНОЙ СИСТЕМЫ

Чувствительность системы контура определяется как наименьшее изменение индуктивности на клеммах электронного блока, которое вызывает срабатывание контроллера.Эта чувствительность должна быть равна или превышать порог для электронного блока. Во многих штатах указано, что блок электроники должен реагировать на изменение индуктивности на 0,02 процента. Стандарты NEMA (см. Раздел 15.3.2 приложения J), признавая различия в конструкции блока электроники ( L / L или L ), определяют порог чувствительности для трех классификаций тестовых автомобилей, когда они сосредоточены в одном 6 — x 6 футов (1,8 x 1,8 м) трехвитковая петля с длиной 100 футов (30.5 м) подводящего кабеля. Классы автомобилей:

Индуктивность, включенная последовательно или параллельно с индуктивно-петлевым детектором, снизит чувствительность петлевой системы на входных клеммах электронного блока.

Исследование, проведенное для проекта SCANDI в Детройте, показало, что на продолжительность вызова влияет высота магнитного поля, которое, в свою очередь, зависит от наличия и глубины арматурной стали и других факторов, специфичных для местоположения. (2) Исследование показало, что регулируемые ромбовидные петли компенсируют такие факторы в каждом месте, обеспечивая одинаковую продолжительность от петли к петле для данного транспортного средства на заданной скорости.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ИНДУКТОРОВ ДВУХ СЕРИЙ

На рис. 2-15 показан расчет полной индуктивности для комбинации двух отдельных индуктивных контуров, соединенных последовательно, как один эквивалентный контур. (Рисунок 2-19 иллюстрирует соединение двух контуров таким образом.) Эквивалентная общая последовательная индуктивность L TS составляет

(2-23)
, где L A и L B — индивидуальные значения индуктивности контуров.

Рисунок 2-15. Эквивалентная общая индуктивность от двух последовательно включенных индуктивных контуров.

Эквивалентная общая последовательная чувствительность STS составляет

(2-24)

где Чувствительность контура при вхождении транспортного средства в контур A.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ИНДУКТОРОВ

Рисунок 2-16 иллюстрирует расчет чувствительности для двух отдельных индуктивных контуров, соединенных параллельно как эквивалентный одиночный контур. (Рисунок 2-21 иллюстрирует соединение двух контуров таким образом.) Эквивалентная общая параллельная индуктивность L TP составляет

(2-25)

Эквивалентная общая параллельная чувствительность S TP составляет

(2-26)


Рисунок 2-16. Эквивалентная общая индуктивность от двух параллельных индуктивных контуров.

ПРИМЕР ОДНОГО КОНТУРА

1. Какова чувствительность контура на тяговом ящике для автомобиля с высокой платформой (4 фута (1.2-м) ходовая) переходит петлю? Рисунок 2-17 иллюстрирует этот случай и показывает длину подводящих проводов. Эквивалентная электрическая схема показана на Рисунке 2-18.

Рисунок 2-17. Одиночный индуктивный контур, подключенный к вытяжной коробке и электронному блоку.

Рисунок 2-18. Эквивалентная одноконтурная электрическая схема.

Чувствительность S L для ходовой части высотой 4 фута (1,2 м) и трехвитковой ходовой части 6 x 6 футов (1.Петля 8 x 1,8 м) провода # 14 AWG составляет 0,1 процента от рисунка 2-11. Скрученные петли образуют подводящий провод длиной примерно 24 фута (7,3 м) к вытяжной коробке. Индуктивность на фут для контурного провода № 14 AWG с 5 витками на фут составляет 0,22 Гн / фут (0,7 Гн / м). Подводящая индуктивность L S составляет

(2-27)

Собственная индуктивность L L трехвитковой петли длиной 1,8–1,8 м (6 x 6 футов) из провода № 14 AWG на частоте 20 кГц из Приложения C составляет 74 Гн.Следовательно, чувствительность S P (в процентах) на вытяжной коробке составляет

(2-28)

2. Какова чувствительность системы индуктивного контура на входных клеммах электронного блока с экранированным подводящим кабелем типа 8720 длиной 200 футов (61 м) между вытяжной коробкой и электронным блоком?

Из таблицы 2-6 индуктивность кабеля типа 8720 составляет 0,22 Гн / фут. Общая последовательная индуктивность между контуром и входными клеммами электронного блока составляет

(2-29a)

(2-29b)

Тогда чувствительность S D на входных клеммах блока электроники будет

(2-30)

3.Какова чувствительность системы индуктивной петли на входных клеммах блока электроники с экранированным вводным кабелем типа 8720 длиной 200 футов (61 м) между вытяжной коробкой и блоком электроники, если четырехвитковый, 6 — x Используется петля длиной 6 футов (1,8 x 1,8 м) # 14 AWG?

Чувствительность S L для ходовой части 4 фута (1,2 м) и четырехвитковой петли 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м) составляет 0,1 процента. Согласно Приложению C, собственная индуктивность контура составляет 125 Гн при 20 кГц. Последовательная индуктивность такая же, как в предыдущем примере.

Следовательно

(2-31)

ДВЕ ПЕТЛИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ПРИМЕР

1. Какова чувствительность системы индуктивного контура на входных клеммах электронного блока, когда второй идентичный контур включен последовательно с контуром, определяющим транспортное средство? На Рис. 2-19 показана конфигурация контура и показаны длины подводящих проводов. Последовательное соединение осуществляется в вытяжной коробке.

Рисунок 2-19. Две индуктивные петли, подключенные последовательно к вытяжной коробке и электронному блоку.

На рисунке 2-20 показана эквивалентная электрическая схема. Чувствительная петля представляет собой трехвитковую петлю размером 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м) из провода # 14 AWG. Собственная индуктивность второго контура (т. Е. Серии Loop B) составляет 74 H. Индуктивность подводящего провода для контура B составляет

(2-32)

Общая последовательная индуктивность контура B и подводящего провода к вытяжной коробке составляет

(2-33)

, а общая последовательная индуктивность между двумя контурами и входными клеммами электронного блока составляет

(2-34a)

(2-34b)

Рисунок 2-20.Эквивалентная электрическая схема для двух контуров, последовательно подключенных к вытяжной коробке и электронному блоку.

Затем

(2-35)

ДВА ПЕТЛИ В ПАРАЛЛЕЛЬНОМ ПРИМЕРЕ

1. Какова чувствительность системы шлейфов на клеммах блока электроники при двух одинаковых шлейфах, соединенных параллельно? На Рис. 2-21 показана конфигурация контура и показаны длины подводящих проводов. Эквивалентная электрическая схема показана на Рисунке 2-22. Все параметры такие же, как в предыдущем примере цикла серии.Общая индуктивность и чувствительность на входе в блок электроники рассчитываются как

(2-36)
и

(2-37)

.

Рисунок 2-21. Две индуктивные петли, подключенные параллельно к вытяжной коробке и электронному блоку.

Рисунок 2-22. Эквивалентная электрическая схема для двух контуров, подключенных параллельно к вытяжной коробке и блоку электроники.

Пусть

(2-38)

и (2-39)

Затем

(2-40)

(2-41)

и

(2-42)
(2-43)

Следовательно

(2-44 )

РЕЗОНАНСНАЯ ЦЕПЬ

Многие самонастраивающиеся электронные блоки с индуктивным контуром используют сдвиг частоты или изменение периода генератора, чтобы указать прохождение или присутствие транспортного средства.Частота генератора регулируется параллельным резонансным контуром, иногда называемым резервуарным контуром, состоящим из эквивалентной индуктивности системы контура и настроечной емкости электронного блока. Эквивалентная емкость системы контура также включает емкостные эффекты из-за размещения проводов контура в пропиле. Соответствующий эквивалентный коэффициент качества учитывает влияние потерь сопротивления системы. Если эквивалентная индуктивность системы контура слишком мала, генератор не будет колебаться.Изготовитель блока электроники указывает допустимый диапазон индуктивности системы контура и минимальный коэффициент качества системы контура.

Частота генератора рассчитывается как

(2-45)

, где L D , C D , Q D — индуктивность, емкость и добротность соответственно. , контура резервуара.

Уравнение 2-45 показывает, что уменьшение индуктивности увеличивает резонансную частоту.Кроме того, коэффициент качества выше пяти будет иметь незначительное влияние на характеристики резонансного контура.

ВРЕМЕННЫЕ ПЕТЛИ

Несколько производителей и государственных агентств стремились разработать долговечную и экономичную временную петлю, которая удовлетворяет потребности в программах контроля скорости, подсчета транспортных средств, классификации транспортных средств и портативных программ взвешивания в движении (WIM). Ниже описаны два типа временных и переносных петлевых систем.

МАТОВЫЕ ПЕТЛИ

Временная петля типа мата состоит из прочного резинового мата, в который заделано несколько витков проволоки.Коврики обычно меньше по ширине, чем типичная индукционная петля длиной 1,8 м. Стандартные размеры варьируются от 4 x 6 футов (1,2 x 1,8 м) до 3 x 6 футов (0,9 x 1,8 м). Коврики располагаются в центре полосы движения, причем более длинный размер параллелен потоку движения, так что большинство транспортных средств преодолевают коврик, тем самым продлевая срок службы коврика. Типичная установка показана на Рисунке 2-23. Гвозди и шайбы обычно используются для крепления мата к поверхности дороги. Широкий 3-дюймовый (7.6 см) наклеивается прочная клейкая лента, чтобы края мата не поднимались. Подводящие провода от коврика к оборудованию для сбора данных на обочине дороги заключены между двумя слоями ленты.

Рисунок 2-23. Типовая установка временного индуктивного петлевого детектора матового типа.

Некоторые агентства производят этот тип датчика в собственном магазине. Однако изготовление этих матов вручную было слишком трудоемким, чтобы быть рентабельным. Коврики были надежными, но в условиях интенсивного движения грузовиков некоторые из них прослужили не более нескольких часов.

КОНФИГУРАЦИЯ ОТКРЫТОГО КОНТУРА

Один производитель производит предварительно отформованную временную переносную петлю размером 4 x 6 футов (1,2 x 1,8 м). Петля состоит из пяти слоев, как показано на рис. 2-24. Нижний слой представляет собой антиадгезионный бумажный лист шириной 4 дюйма (101,6 мм), который защищает полосу клейкой битумной резиновой смеси шириной 2 дюйма (50,8 мм). Его верхняя поверхность отделана полиэтиленовой пленкой высокой плотности. Эта прокладочная полоса является основой для трех витков контурного провода №22 AWG.Идентичная 2-дюймовая (50,8 мм) прокладка закрывает провода контура. Верхний слой представляет собой полосу клеевого битумного компаунда шириной 4 дюйма (101,6 мм), армированную тканой полипропиленовой сеткой.

Предварительно сформированная конфигурация с разомкнутым контуром может быть доставлена ​​в выбранное место и установлена ​​одним человеком за несколько минут. Установка состоит из снятия нижней подкладки, размещения петли на проезжей части и приложения давления, достаточного для обеспечения сцепления. Стандартно — пять футов защищенного подводящего провода.Доступны другие размеры петли и длины защищенных подводящих проводов.

Другой подход к конфигурации разомкнутого контура был разработан Отделом специальных исследований Министерства транспорта штата Невада (DOT). (3) DOT Невады ранее использовала переносную петлю размером 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м), состоящую из трех витков многожильного медного провода № 14 AWG, обмотанного черной изолентой. По мере увеличения использования переносных петель возрастали трудоемкие проблемы, связанные с долговечностью и обслуживанием.Это привело к тестированию различных лент, резиновых трубок и материала резинового мата в качестве замены клейкой ленты, покрывающей оригинальные петли.

Рисунок 2-24. Пятиуровневая временная конфигурация детектора разомкнутого контура.

Битумная лента производства Polyguard Products была в конечном итоге выбрана для ограждения проволочных петель. Это армированный тканью резиноподобный материал с одной клейкой стороной. Окончательная конфигурация состоит из четырех витков медного провода # 14 AWG, намотанных в цеху и скрепленных вместе для удобства использования.Петли заключены в две обертки из материала Polyguard и установлены, как показано на Рисунке 2-25.


1 фут = 0,3 м
1 дюйм = 2,5 см

Рисунок 2-25. Портативная установка с открытым контуром в Неваде.

Был проведен ряд испытаний для измерения прочности и точности петель по сравнению с обычными петлями, установленными в пазах для пиления. В других тестах сравнивали конфигурацию 4 x 6 футов (1,2 x 1,8 м) с конфигурацией 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м).Испытательные контуры были установлены на сельской двухполосной проезжей части ФАП с высоким процентом грузовиков, состоящих из нескольких единиц. В обеих сериях испытаний использовался один и тот же самописец счетчика / классификатора.

После почти 5000 срабатываний разница между количеством транспортных средств, подсчитанных с помощью переносной петли этого типа и петли, установленной пропилом, составила менее 1 процента. Также было обнаружено, что размер петли 4 x 6 футов (1,2 x 1,8 м) практически такой же, как размер петли 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м), независимо от того, была ли петля в пиле. в разрезе или в переносном виде.

Переносные петли все еще работали после более чем годичного испытания продукта на долговечность, состоящего из более миллиона активаций. Эта оценка, проведенная на шоссе US 395 между Рино и Карсон-Сити, штат Невада, показала, что петли являются чрезвычайно прочными и способны выдерживать широкий диапазон погодных условий. Дорога была покрыта асфальтом, и через несколько месяцев петли вросли в тротуар, что, возможно, способствовало их долговечности. Ожидается, что на бетонной поверхности эти петли прослужат более полумиллиона срабатываний.Петли также использовались с накладками и были способны выдерживать высокую температуру, связанную с этим процессом.

Испытания в полупостоянном месте увеличили долговечность петли, поскольку петли не подвергались повторному удалению и повторной установке. Однако другие петли того же типа неоднократно устанавливались без признаков чрезмерного износа. В результате этих тестов и опыта работы с этими петлями, Nevada DOT теперь использует петлю Polyguard во всех своих переносных установках петли.

ЭЛЕКТРОНИКА

Блок электроники, который генерирует частоту возбуждения индуктивного контура и контролирует работу системы индуктивного контура, значительно изменился с 1970-х годов. Ранние версии электронных блоков с индуктивным контуром работали на фиксированной резонансной частоте, используя кристалл для стабилизации частоты. Было много проблем с блоками кристаллической электроники, особенно при использовании с длинными подводящими кабелями.

Одним из них был дрейф резонансной частоты из-за изменений температуры и влажности окружающей среды.Эти устройства были сняты с эксплуатации в 1970-х годах и первоначально были заменены конструкциями, в которых использовались аналоговые фазовращатели, которые были способны компенсировать (или отслеживать) дрейф, вызванный изменениями окружающей среды. Современные электронные блоки стабилизируют частоту колебаний и обнаруживают транспортные средства с конфигурациями, которые включают цифровой сдвиг частоты, цифровой пропорциональный сдвиг частоты, цифровой сдвиг периода и цифровой пропорциональный сдвиг периода. Теория работы этих устройств описана ниже.Аналоговые блоки электроники с фазовым сдвигом все еще используются ограниченно для классификации транспортных средств.

АНАЛОГОВЫЙ БЛОК ЭЛЕКТРОНИКИ С СДВИГОМ ФАЗЫ

Это устройство было разработано для удовлетворения требований европейского рынка, где велосипеды должны быть обнаружены. Как и модель с кварцевым резонатором, он работает как датчик фазового сдвига, но использует два генератора переменной частоты, а не один генератор, управляемый кристаллом. Генератор контура работает на частоте от 25 до 170 кГц, что определяется контуром и подводящим проводом.Генератор контура соединен со вторым внутренним генератором, так что процедура начальной ручной настройки приводит два генератора в синхронизацию по частоте и фазе.

Ручка настройки перемещает ферритовый сердечник взад и вперед внутри индуктора, заставляя подключенный к нему генератор изменять свою частоту (и фазу) в соответствии с частотой генератора контура. Прибытие транспортного средства в контур уменьшает индуктивность контура, и генератор контура пытается выйти из синхронизации со своим сопутствующим генератором.Он не может изменять частоту из-за резистора перекрестной связи, но развивается фазовый сдвиг, который является основой для обнаружения транспортного средства.

Благодаря этой концепции конструкции электронный блок способен компенсировать (или отслеживать) дрейф окружающей среды. Когда температура внутри шкафа контроллера изменяется, два осциллятора смещаются одинаково. Выход двух генераторов подается на схему сравнения фаз, которая вырабатывает постоянное напряжение, пропорциональное величине сдвига; Таким образом, термин аналоговый, потому что он использует переменные напряжения, а не цифровые подсчеты для обозначения проезда или присутствия транспортного средства.

Когда в зоне обнаружения нет транспортных средств, постоянное напряжение сохраняется и запоминается конденсатором памяти. Когда автомобиль вызывает изменение выходного сигнала фазового компаратора, разница между ним и конденсатором памяти заставляет реле изменять состояние. За очень медленными изменениями постоянного напряжения следует конденсатор памяти, который позволяет схеме компенсировать дрейф из-за изменений окружающей среды. Схема памяти в конечном итоге забудет о транспортном средстве, припаркованном над петлей, и сбросит этот вызов.Подробная информация о компенсации дрейфа окружающей среды будет включена позже в разделе «Электронный блок цифрового сдвига частоты».

ОБЗОР ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Стабильность и дополнительные функции, обеспечиваемые электронной цифровой обработкой, привели к тому, что большинство производителей электронных устройств с индуктивными детекторами стали производить цифровые устройства. Цифровые методы позволяют более надежные, точные и точные измерения, чем аналоговые методы.

При использовании блоков цифровой электроники необходимо учитывать взаимосвязь между повышенной чувствительностью и, как следствие, увеличением времени отклика.Большое время отклика может привести к значительной ошибке в измерениях скорости транспортного средства, когда в конфигурации устройства ограничения скорости используются два контура (т. Е. Разделенные известным и измеренным расстоянием). Время отклика зависит от производителя электронного блока.

Цифровые электронные блоки обнаруживают изменение частоты или периода формы сигнала. Сдвиг частоты или периода генератора вызван уменьшением индуктивности контура, возникающим, когда транспортное средство находится в зоне обнаружения контура.Частота генератора для коэффициента качества Q , равного 5 или выше, определяется как

(2-46)

.

, где

f D = частота осциллятора, Гц
L D = общая индуктивность (т. Е. Петля плюс подводящий кабель) на входных клеммах электронного блока, henrys
C D = Общая емкость на входных клеммах электронного блока, Генри.

Нормализованное изменение частоты генератора из-за нормализованного изменения индуктивности на входных клеммах электронного блока, когда Q равно 5 или больше, определяется как

(2-47)

, где

f D = Изменение частоты генератора электронного блока, Гц
L D = Изменение индуктивности на входных клеммах электронного блока, henrys
S D = Чувствительность блока электроники к изменению индуктивности.

Обнаружение транспортного средства системой детектора с индукционной петлей в первую очередь индуцируется приближением транспортного средства к скрытой индуктивной проволочной петле, что вызывает изменение индуктивности петли в цепи генератора индуктивности-емкости ( LC ), образованной петлей, вывод в кабеле, а входной конденсатор находится в блоке электроники. Некоторые производители обнаруживают автомобили по процентному изменению индуктивности контура L L / L L , в то время как другие просто используют изменение индуктивности контура L L .Ни одна из этих величин не может быть измерена непосредственно на входных клеммах электронного блока. Однако для определения чувствительности некоторые производители предоставляют частотомеры для измерения резонансной частоты и величины изменения частоты.

Опыт показывает, что процентное изменение индуктивности ( L L / L L ) от незанятого контура к занятому контуру чрезвычайно воспроизводимо для данного размера и геометрии контура, данного размера и геометрии транспортного средства, а также заданное расположение автомобиля относительно петли.Поскольку такие параметры, как фактическая индуктивность контура и рабочая частота контура, не влияют на L L / L L , но влияют на L L , следующие обсуждения и вычисления относятся к L L / L L концепт. Термин «чувствительность электронного блока» в контексте этого обсуждения определяется как значение L L / L L , которое приводит в действие электронный блок с меньшими значениями, которые интерпретируются как обозначающие большую чувствительность.

Для коротких вводных кабелей с незначительной индуктивностью последовательного кабеля

(2-48)

, где

L L = изменение индуктивности контура при обнаружении транспортного средства, henrys
L L = индуктивность контура, henrys
S L = чувствительность контура к транспортному средству в зоне обнаружения.

Период генератора T D определяется как инверсия частоты f D .Для Q из 5 или более T D задается по

(2-49)

Нормализованное изменение периода генератора, вызванное нормализованным изменением индуктивности на входном выводе электронного блока, когда Q равно 5 или больше, примерно равно

(2-50)

Отрицательный знак указывает, что изменение периода противоположно изменению индуктивности.

С появлением сложных цифровых микропроцессоров и доступностью информации о резонансной частоте контурной сети на входных клеммах электронного блока, можно относительно легко получить точные измерения следующих параметров:

  • Сдвиг частоты ( f D ).
  • Относительный сдвиг частоты ( f D / f D ).
  • Сдвиг периода ( T D ).
  • Относительный сдвиг периода ( T D / T D ).

Четыре типа блоков цифровой электроники, каждый из которых использует один из этих методов измерения, представлены ниже. Подробный анализ и блок-схемы каждого устройства представлены в Приложениях с F по I.

БЛОК ЦИФРОВОГО ПЕРЕМЕНА ЧАСТОТЫ

Агрегаты данного типа не производятся. Тем не менее, теория и рабочие характеристики, связанные с этой концепцией, включены, чтобы можно было лучше понять работу электронного блока цифрового пропорционального сдвига частоты.

Цифровой процессор в электронном блоке цифрового переключения передач будет сравнивать отсчеты, пропорциональные частоте генератора, когда транспортное средство присутствует, с контрольным отсчетом, проводимым периодически, когда транспортных средств нет.Счетчик ссылок хранится в памяти. Во время обнаружения транспортного средства, когда счетчик превышает контрольный счетчик на предварительно установленный счетчик порога чувствительности, инициируется вызов автомобиля.

Чувствительность электронного блока сдвига частоты рассчитывается по уравнению 2-47 как

(2-51)

Приложение F показывает, что

(2-52)

, где

N футов = количество порогов фиксированной частоты, выбираемое переключателем чувствительности
N fc = количество циклов генератора, подсчитываемых переменной частотомер
K f = постоянная частотной чувствительности.

В методе цифрового частотного сдвига S D пропорционально квадратному корню из произведения L D C D . Поскольку большие значения S D представляют собой пониженную чувствительность, отсюда следует, что чувствительность уменьшается пропорционально квадратному корню из произведения L D C D с измерением f D . Следовательно, каждый раз, когда переключатель частоты изменяется в новое положение (например,g., чтобы избежать перекрестных помех), чувствительность изменится и, в случае критичности, потребует новой настройки переключателя чувствительности.

Увеличенная длина подводящего кабеля увеличивает индуктивность подводящего кабеля и, следовательно, вызывает некоторую потерю чувствительности. Увеличенный продукт L D C D приведет к еще большей потере чувствительности. Следовательно, этот тип измерения не представляется практичным.

БЛОК ЦИФРОВОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЧАСТОТЫ

Цифровой процессор в электронном блоке цифрового пропорционального сдвига частоты сравнивает отсчеты, пропорциональные частоте генератора, когда транспортное средство присутствует, с контрольным отсчетом, производимым периодически, когда транспортное средство отсутствует.Счетчик ссылок хранится в памяти. Когда счет во время обнаружения транспортного средства превышает счетчик ссылок на предварительно установленный счетчик порога чувствительности, инициируется вызов транспортного средства.

Электронный блок пропорционального сдвига частоты отличается от блока сдвига частоты тем, что счетчик частоты поддерживается приблизительно постоянным (как поясняется далее в Приложении G).

Чувствительность не зависит от индуктивности L D и емкости C D на клеммах электронного блока.Чувствительность рассчитывается как

(2-53)

, где

N футов = Счетчик порога фиксированной частоты
N fc = Счетчик, произведенный счетчиком фиксированной частоты.
Согласно Приложению G, время отклика при измерении t f составляет
(2-54)
где м — умножитель частоты.

Преимущество независимости чувствительности от индуктивности и емкости на входных клеммах электронного блока показано на следующем примере.Этот пример также применим к электронному блоку цифрового пропорционального сдвига периода, обсуждаемому позже.

Предположим, четыре петли одинакового размера, скажем, 6 x 6 футов (1,8 x 1,8 м) с равным числом витков, скажем, тремя. Соедините петли, как показано на рисунке 2-8, а именно

.
  • Все серии (296 H).
  • Последовательно-параллельный (74 H).
  • Все параллельны (18,5 Н).

Для простоты длина подводящего кабеля не учитывается. Чувствительность электронного блока пропорциональной частоты или пропорционального сдвига периода идентична для трех вышеупомянутых конфигураций подключения контура.Соответственно, порог чувствительности, достаточный для обнаружения небольшого мотоцикла по одному из четырех контуров при последовательном подключении, не должен изменяться при повторном подключении последовательно-параллельно или полностью параллельно.

Хотя длина подводящего кабеля выше не рассматривалась, слишком длинный подводящий кабель будет вызывать различную величину изменения индуктивности из-за разделения индуктивности. Величина изменения зависит от длины подводящего кабеля и схемы подключения, используемой для нескольких петель. На рис. 2-26 представлена ​​оценка изменения индуктивности на входных клеммах электронного блока, возникающего при движении небольшого мотоцикла по одному из четырех контуров. (1)


1 фут = 0,3 м

Рисунок 2-26. Изменение индуктивности небольшого мотоцикла в зависимости от длины подводящего кабеля для последовательного, параллельного и последовательно-параллельного соединения четырех петель размером 6 x 6 футов.

БЛОК ЦИФРОВОГО ПЕРИОДА СДВИГАНИЯ

Концепция цифрового сдвига периода использует период частоты генератора контура, где период определяется как время, необходимое для одного полного цикла частоты генератора.Период рассчитывается путем деления единицы на частоту в Гц или эквивалентного деления единицы на частоту в циклах в секунду.

Цифровые электронные блоки

со сдвигом периода используют опорные часы, работающие на частотах мегагерц (МГц), то есть от 20 до 100 раз быстрее, чем частота колебаний индуктивного контура, для измерения периода колебаний контура, как показано на рисунке 2-27. Точность измерения повышается без потери большого количества времени между измерениями за счет определения времени для 32 циклов колебаний для чувствительности 1, 64 циклов для чувствительности 2 и т. Д.Период колебаний контура вычисляется с помощью количества n опорных тактовых циклов, содержащихся в периоде. Поскольку частота колебаний увеличивается, когда транспортное средство проезжает по петле, период колебаний уменьшается, поскольку он равен обратной частоте. Уменьшение периода колебаний приводит к меньшему количеству циклов опорных часов в течение периода колебаний. Когда количество эталонных циклов уменьшается больше, чем предварительно выбранный порог, инициируется вызов, чтобы указать присутствие транспортного средства.

Рисунок 2-27. Измерение периода колебаний индуктивного контура эталонными часами
(Источник: L.A. Klein, Sensor Technologies and Data Requirements for ITS (Artech House, Norwood, MA, 2001)).

Разумный выбор опорной тактовой частоты и порогового значения (4 счета ± 2 счета) делает конструкцию цифрового сдвига периода практичной на любой частоте, встречающейся на практике. Время обнаружения достаточно короткое, чтобы электроника могла последовательно сканировать или управлять четырьмя небольшими контурами, по одному, несколько раз в секунду.(Многоканальность обсуждается позже.)

Электронный блок смещения периода полностью самонастраивается при установке и, как и большинство других конструкций, может отслеживать дрейф окружающей среды. Подобно блоку цифрового сдвига частоты, большинство моделей прекращают отслеживание на некоторое время после того, как транспортное средство входит в петлю, чтобы гарантировать, что вызов, сделанный небольшим транспортным средством, удерживается достаточно долго, чтобы вызвать зеленый цвет к этому подходу.

Чувствительность электронного блока сдвига периода определяется из уравнения 2-50 как

(2-55)

Приложение H показывает, что

(2-56)

, где

N pt = Счетчик порога фиксированной частоты, выбранный переключателем чувствительности
N pc = Счетчик, произведенный счетчиком переменной частоты
K p = Константа частотной чувствительности.

Чувствительность обратно пропорциональна квадратному корню из продукта L C с измерением T. Когда принимает малые значения, чувствительность увеличивается. Следовательно, с увеличением длины подводящего кабеля часть потери чувствительности из-за добавленной индуктивности подводящего кабеля автоматически компенсируется увеличением продукта L C . К сожалению, компенсация не идеальна из-за отношения квадратного корня.

Время отклика блока электроники t p , полученное в Приложении H, составляет

(2-57)

В большинстве электронных блоков используется трансформатор для подключения клемм внешнего индуктивного контура к внутреннему генератору. Слабосвязанный трансформатор создает последовательную индуктивность рассеяния или затухания. Эта индуктивность снижает влияние вводного кабеля на чувствительность за счет общей чувствительности.

Если в блоке электроники используется индуктивность затухания L T , то

(2-58)

Например, пусть

N pt = 4
L T = 150 H
L D = 75 H
f D = 2.22 МГц
= 0,005%.

Затем

(2-59)

Процентная погрешность в скорости транспортного средства, полученная из датчика скорости с использованием двух индуктивных контуров на известном расстоянии друг от друга, определяется как

(2-60)

, где

S / S = Ошибка скорости автомобиля, проценты
T = Ошибка измеренного времени, секунды
X = Расстояние между передними кромками контура, единицы расстояния
S = Скорость автомобиля, единицы расстояния в секунду.

Максимальная измеренная временная ошибка в измерениях скорости автомобиля или присутствия людей связана с временем отклика электронного блока. Ошибка измерения скорости, вызванная конечным временем отклика, проиллюстрирована следующим примером.

Пусть

S / S = Неизвестная ошибка скорости автомобиля, в процентах
T = 2 x 216 миллисекунд (мс) = 432 мс (ошибка 0,432 секунды в измеренном времени)
X = 100 футов ( 30,5 м) расстояние между передними кромками контура
S = 60 миль в час (миль / ч) = 88 фут / с (96.6 километров в час (км / час) = 2,68 м / с) скорость автомобиля.

Затем

(2-61)

Этот пример показывает, что контурная система должна быть спроектирована так, чтобы ее чувствительность была как можно большей. Устанавливая электронный блок в менее чувствительный диапазон, время отклика уменьшается, обеспечивая более точное измерение скорости автомобиля.

Увеличение тактовой частоты электронного блока с 2,22 МГц до 22,2 МГц снижает процентную ошибку скорости с 38 процентов до 3.8 процентов. Многие из новых электронных блоков используют тактовые частоты от 20 до 25 МГц и, таким образом, способны снизить процентную ошибку скорости.

БЛОК ЦИФРОВОГО ПЕРИОДА ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРИОДА

Цифровой процессор в этой конструкции сравнивает счетчики, пропорциональные периоду генератора, когда транспортное средство присутствует, с контрольным счетом, производимым периодически, когда транспортное средство отсутствует. Счетчик ссылок хранится в памяти. Когда счет во время обнаружения меньше, чем контрольный счет на предварительно установленный счетчик порога чувствительности, инициируется вызов транспортного средства.Электронный блок пропорционального сдвига периода отличается от электронного блока сдвига периода тем, что пороговое значение N pt не является фиксированным.

Пороговое значение (см. Приложение I) определяется по номеру

(2-62)

Поскольку чувствительность электронного блока не зависит от счетчика периода, чувствительность также не зависит от частоты. Время отклика такое же, как у электронного блока цифрового сдвига периода.

СРАВНЕНИЕ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В таблице 2-9 сравниваются различные концепции блоков цифровой электроники с индуктивным контуром с точки зрения чувствительности и времени отклика.

МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ЦИФРОВЫЕ МОДЕЛИ

Пространство в шкафу контроллера можно сэкономить, если электронный блок может работать более чем с одним шлейфом. Большинство производителей блоков цифровой электроники предлагают изделия, которые могут работать с четырьмя и более контурами. Некоторые модели решают проблему перекрестных помех, предоставляя переключатель разделения частот, в то время как другие разделяют контуры с помощью процесса сканирования с временным разделением.

Блок сканирующей электроники одного производителя активирует и анализирует каждый из четырех или более каналов последовательно до 100 раз в секунду. Электронный блок цифрового сдвига периода по своей природе достаточно быстр, чтобы разрешить сканирование. Время для анализа канала зависит от желаемой чувствительности, поскольку высокая точность определения пороговых значений требует больше времени для подсчета опорных импульсов.

Например, если три контура по 150 Н были подключены и использовались с чувствительностью 1, 4 и 6, а четвертый канал был выключен, тогда для четырех каналов потребовалось бы 2.3, 9, 63 и 0,9 мс соответственно, всего 75 мс. Каждый канал будет включен и проанализирован 1000 ÷ 75 = 13 раз в секунду. Использование контуров с более высокими значениями индуктивности снижает скорость сканирования, как и выбор самых высоких настроек чувствительности на устройстве. Если задействовано более четырех одинаковых и близлежащих контуров, переключатель частоты или размер и / или количество витков в контурах могут быть изменены для обеспечения защиты от перекрестных помех. Уравнение 2-40 и таблицы 2-2, 2-3 и 2-4 могут использоваться для расчета частотного разноса 7 процентов или более.

Производители используют более высокие тактовые частоты, чтобы обеспечить более высокую скорость сканирования. Например, при более низких настройках чувствительности время выборки составляет 0,5 мс на канал. Таким образом, общее время сканирования всех четырех каналов составляет 2 мс. Когда канал выключен, время сканирования для этого канала равно нулю.

ДОБАВЛЕННЫЕ ФУНКЦИИ ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В 1980-х годах в блоки цифровой электроники индуктивного детектора было внесено несколько усовершенствований. Признавая высокую потребность в расходах на техническое обслуживание, некоторые производители добавили схемы, снижающие частоту вызовов неисправностей, для сброса блоков, подключенных к неисправным шлейфам.Эти функции, предназначенные для снижения затрат на обслуживание и максимизации производительности трафика, включают в себя тестирование разомкнутого контура, автоматический сброс и удаленный сброс, как описано ниже.

Тест с разомкнутым контуром

Эта функция позволяет электронному блоку продолжать работу в системе с периодически разомкнутым контуром. Кратковременное размыкание, вызванное обрывом провода, плохим соединением или ненадежным соединением, будет сохранено в памяти. Если соединение восстановится, устройство сразу же перенастроится и продолжит работать должным образом.Если открытие продолжается, это приведет к постоянному вызову.

При обращении в сервисный центр на перекрестке техник может заметить световой индикатор, который будет мигать отчетливо, если произошло обрыв. В случае блоков электроники других марок технический специалист нажимает кнопку «Тест открытого контура», чтобы определить, произошло ли размыкание с момента последнего обращения в сервисный центр. Память разомкнутого контура может запрашиваться повторно, поскольку ее можно сбросить только при отключении питания (например, при извлечении модуля из каркаса для карт и повторной установке) или путем нажатия общей кнопки сброса на электронном блоке.Это представляет собой сброс системы, который очищает память разомкнутого контура.

Автоматический сброс

Некоторые электронные блоки могут быть запрограммированы на генерацию внутреннего сброса, если вызов (т. Е. Выход электронного блока) превышает запрограммированное время. Сброс управляется завершением соответствующей фазы зеленого цвета. Одно агентство утверждает, что эта функция снизила затраты на техническое обслуживание электронного блока на 42 процента.

Удаленный сброс

Remote reset позволяет автоматически расследовать подозрительные вызовы, генерируемые компьютерными или программно-программными системами управления.Удаленный мастер, контролирующий срабатывание каждого датчика системы, может заподозрить неисправность электронного блока. Подтверждая команду сброса, устройство часто можно вернуть в нормальный режим работы. Сброс вызывает очистку вызовов присутствия, но не очищает память разомкнутого цикла и не предотвращает вызовы разомкнутого цикла.

Если после сброса не удается восстановить нормальную работу, неисправность можно распознать и распечатать для обслуживания. Разомкнутый контур, который постоянно вызывается, может быть отключен от сети, чтобы он не влиял ложным образом на рабочие параметры системы.

НЕЗАВИСИМЫЙ ВЫХОД ОТКАЗА КОНТУРА

В дополнение к обычному выходу блока электроники на некоторых моделях предусмотрен второй выход для состояния контура. Каждый раз, когда индуктивность контура изменяется ступенчато на ± 25 процентов или более, включается выход отказа контура. Если индуктивность возвращается к значению менее ± 25 процентов от задания, выход неисправности контура отключается. Это позволяет удаленно запрашивать статус петли.

Другие алгоритмы обнаружения неисправностей встроены в микропроцессоры современных контроллеров.Эти алгоритмы выводят цифровые коды, которые идентифицируют тип неисправности, в контроллер, который передает информацию в центральный пункт.

КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМОБИЛЯ

Более новые электронные блоки индуктивного детектора и конфигурации контуров позволяют классифицировать транспортные средства. Модуль электроники, показанный на рисунке 2-28, использует программное обеспечение искусственной нейронной сети для классификации потока трафика по 23 категориям, показанным на рисунке 2-29. Первые 13 — это стандартные классы FHWA, а остальные — автомобили с уникальными характеристиками. (4)


Рисунок 2-28. Индуктивный классификатор транспортных средств и датчик скорости модели S-1500 (фотография любезно предоставлена ​​Reno A&E, Рино, Невада).

Рисунок 2-29. Классы, доступные с помощью классифицирующего датчика с индуктивным контуром
(Источник: Руководство по установке и эксплуатации модели , модель IVS-2000, , ред. 1.53 (Intersection Development Corp, Дауни, Калифорния, сентябрь 1997 г.)).

Были разработаны специальные конфигурации индуктивных контуров для определения осей и их относительного положения в транспортном средстве.Такие системы используются на пунктах взимания платы за проезд для получения правильной оплаты в зависимости от класса транспортного средства. В приложении, показанном на рис. 2-30, массив контуров оси расположен между двумя основными контурами. Наличие оси определяется массивом петель оси. Взаимное положение осей в транспортном средстве определяется по сигнатурам основных контуров. Полученные данные включают длину транспортного средства, скорость, ускорение, тип транспортного средства, количество осей и расстояние между осями. Информация о профиле также может быть получена для уточнения и подтверждения классификации в неоднозначных случаях.Этот блок электроники, а также блок, показанный на рис. 2-28, можно использовать для идентификации транзитных автобусов и обеспечения приоритетной обработки сигналов светофора.

Рисунок 2-30. Расположение осей и классификация транспортных средств с использованием набора индуктивных контуров
(Рисунок любезно предоставлен компанией Peek Traffic, Inc. — Сарасота, Сарасота, Флорида).

Предыдущая | Содержание | Следующие

FHWA-HRT-06-108

% PDF-1.4 % 111 0 объект > эндобдж xref 111 303 0000000016 00000 н. 0000006430 00000 н. 0000006506 00000 н. 0000007843 00000 н. 0000008061 00000 н. 0000010773 00000 п. 0000010825 00000 п. 0000010877 00000 п. 0000010929 00000 п. 0000010981 00000 п. 0000011033 00000 п. 0000011085 00000 п. 0000011137 00000 п. 0000011189 00000 п. 0000011241 00000 п. 0000011293 00000 п. 0000011345 00000 п. 0000011397 00000 п. 0000011449 00000 п. 0000011501 00000 п. 0000011553 00000 п. 0000011605 00000 п. 0000011657 00000 п. 0000011709 00000 п. 0000011761 00000 п. 0000011813 00000 п. 0000011865 00000 п. 0000011917 00000 п. 0000011969 00000 п. 0000012021 00000 н. 0000012073 00000 п. 0000012125 00000 п. 0000012177 00000 п. 0000012229 00000 п. 0000012281 00000 п. 0000012333 00000 п. 0000012385 00000 п. 0000012437 00000 п. 0000012489 00000 п. 0000012541 00000 п. 0000012593 00000 п. 0000012645 00000 п. 0000012697 00000 п. 0000013264 00000 п. 0000013493 00000 п. 0000048193 00000 п. 0000048374 00000 п. 0000048426 00000 п. 0000048478 00000 п. 0000048530 00000 н. 0000048582 00000 п. 0000048634 00000 п. 0000048686 00000 п. 0000048738 00000 п. 0000048790 00000 н. 0000048842 00000 н. 0000048894 00000 п. 0000048946 00000 н. 0000048998 00000 н. 0000049050 00000 п. 0000049102 00000 п. 0000049154 00000 п. 0000049206 00000 п. 0000049258 00000 п. 0000049310 00000 п. 0000049362 00000 п. 0000049414 00000 п. 0000049466 00000 п. 0000049518 00000 п. 0000049570 00000 п. 0000049622 00000 н. 0000049674 00000 п. 0000049726 00000 п. 0000049778 00000 п. 0000049830 00000 п. 0000049882 00000 п. 0000049934 00000 н. 0000049986 00000 н. 0000050038 00000 п. 0000050090 00000 н. 0000050142 00000 п. 0000050194 00000 п. 0000050246 00000 п. 0000050298 00000 п. 0000050350 00000 п. 0000050402 00000 п. 0000050454 00000 п. 0000050506 00000 п. 0000050558 00000 п. 0000050610 00000 п. 0000050662 00000 п. 0000050714 00000 п. 0000050766 00000 п. 0000050818 00000 п. 0000050870 00000 п. 0000050922 00000 п. 0000050974 00000 п. 0000050996 00000 п. 0000051720 00000 п. 0000051742 00000 п. 0000067828 00000 п. 0000068245 00000 п. 0000068469 00000 п. 0000074725 00000 п. 0000075111 00000 п. 0000075317 00000 п. 0000075553 00000 п. 0000075966 00000 п. 00000 00000 п. 00000 00000 п. 00000 00000 п. 0000118957 00000 н. 0000119482 00000 н. 0000119717 00000 н. 0000120294 00000 н. 0000120317 00000 н. 0000121493 00000 н. 0000121515 00000 н. 0000122577 00000 н. 0000122599 00000 н. 0000123641 00000 н. 0000123663 00000 н. 0000124694 00000 н. 0000124716 00000 н. 0000125034 00000 н. 0000125292 00000 н. 0000125615 00000 н. 0000125751 00000 н. 0000126077 00000 н. 0000126354 00000 н. 0000126486 00000 н. 0000126617 00000 н. 0000126858 00000 н. 0000127222 00000 н. 0000127464 00000 н. 0000127595 00000 н. 0000127863 00000 н. 0000127959 00000 н. 0000128208 00000 н. 0000128313 00000 н. 0000128422 00000 н. 0000128527 00000 н. 0000128606 00000 н. 0000128735 00000 н. 0000128863 00000 н. 0000128959 00000 н. 0000129281 00000 н. 0000129600 00000 н. 0000129731 00000 н. 0000129863 00000 н. 0000130176 00000 н. 0000130474 00000 н. 0000130689 00000 н. 0000131020 00000 н. 0000131146 00000 н. 0000131285 00000 н. 0000131617 00000 н. 0000131757 00000 н. 0000131892 00000 н. 0000132217 00000 н. 0000132353 00000 н. 0000132650 00000 н. 0000133005 00000 н. 0000133361 00000 н. 0000133711 00000 н. 0000133852 00000 н. 0000134195 00000 н. 0000134540 00000 н. 0000134676 00000 н. 0000135026 00000 н. 0000135407 00000 н. 0000135767 00000 н. 0000136112 00000 н. 0000136245 00000 н. 0000136587 00000 н. 0000136942 00000 н. 0000137088 00000 н. 0000137418 00000 н. 0000137777 00000 н. 0000137915 00000 н. 0000138054 00000 н. 0000138195 00000 н. 0000138542 00000 н. 0000138850 00000 н. 0000138985 00000 н. 0000139311 00000 п. 0000139450 00000 н. 0000139755 00000 н. 0000139887 00000 н. 0000140026 00000 н. 0000140376 00000 п. 0000140703 00000 н. 0000141041 00000 н. 0000141345 00000 н. 0000141685 00000 н. 0000141822 00000 н. 0000141956 00000 н. 0000142093 00000 н. 0000142458 00000 н. 0000142815 00000 н. 0000143133 00000 п. 0000143270 00000 н. 0000143630 00000 н. 0000143972 00000 н. 0000144270 00000 н. 0000144409 00000 н. 0000144758 00000 н. 0000145115 00000 н. 0000145256 00000 н. 0000145626 00000 н. 0000145767 00000 н. 0000146119 00000 н. 0000146870 00000 н. 0000147053 00000 п. 0000147244 00000 н. 0000147436 00000 н. 0000147625 00000 н. 0000147814 00000 н. 0000148005 00000 н. 0000148243 00000 н. 0000148484 00000 н. 0000148758 00000 н. 0000149056 00000 н. 0000149339 00000 н. 0000149597 00000 н. 0000149888 00000 н. 0000150150 00000 н. 0000150416 00000 н. 0000150658 00000 н. 0000150910 00000 н. 0000151167 00000 н. 0000151421 00000 н. 0000151702 00000 н. 0000151996 00000 н. 0000152294 00000 н. 0000152561 00000 н. 0000152824 00000 н. 0000153120 00000 н. 0000153416 00000 н. 0000153682 00000 н. 0000153974 00000 н. 0000154282 00000 н. 0000154594 00000 н. 0000154864 00000 н. 0000155144 00000 н. 0000155451 00000 н. 0000155750 00000 н. 0000156021 00000 н. 0000156324 00000 н. 0000156623 00000 н. 0000156924 00000 н. 0000157201 00000 н. 0000157504 00000 н. 0000157799 00000 н. 0000158072 00000 н. 0000158336 00000 н. 0000158635 00000 н. 0000158933 00000 н. 0000159190 00000 н. 0000159478 00000 н. 0000159780 00000 н. 0000160083 00000 н. 0000160356 00000 н. 0000160629 00000 н. 0000160932 00000 н. 0000161232 00000 н. 0000161502 00000 н. 0000161796 00000 н. 0000162094 00000 н. 0000162390 00000 н. 0000162670 00000 н. 0000162936 00000 н. 0000163226 00000 н. 0000163506 00000 н. 0000163768 00000 н. 0000164043 00000 н. 0000164335 00000 н. 0000164608 00000 н. 0000164877 00000 н. 0000165165 00000 н. 0000165440 00000 н. 0000165705 00000 н. 0000165968 00000 н. 0000166247 00000 н. 0000166531 00000 н. 0000166784 00000 н. 0000167061 00000 н. 0000167343 00000 н. 0000167620 00000 н. 0000167875 00000 н. 0000168131 00000 н. 0000168418 00000 н. 0000168715 00000 н. 0000168970 00000 н. 0000169253 00000 н. 0000169536 00000 н. 0000169812 00000 н. 0000170071 00000 н. 0000170331 00000 п. 0000170534 00000 н. 0000170776 00000 н. 0000006659 00000 н. 0000007820 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 112 0 объект > эндобдж 113 0 объект `Dz — # _ m_} g) / U (8q Sv \ n ׯ lSA ҹk6) / П-28 / V 1 / Длина 40 >> эндобдж 412 0 объект > транслировать y \ 7; yκi | H $ ~ daT-j ڻ Ct: ̰P # 48dCh3R% \ XjfIT × *

Как выбрать компенсацию контура управления P

Введение

MAX20796 — это преобразователь управления токовым режимом, который можно настроить на двухфазный или трехфазный режим.В этом документе приведены рекомендации по выбору параметров контура управления MAX20796 для оптимизации установившегося режима, частотной области и переходных характеристик скачка нагрузки.

Определение параметров мощности каскада и контура

Для этого варианта использования параметры компенсации для MAX20796 выбраны следующим образом:

Параметры силового каскада:

Входное напряжение: В IN = 12 В

Выходное напряжение: В ВЫХ = 0,8 В

Обязанность:

Количество фаз: N PH = 3

Частота переключения: F SW = 400 кГц

Период времени переключения:

Устойчивый ток нагрузки: I OUT = 80A

Пульсации напряжения в установившемся режиме: ΔV PK_STEADYSTATE = 2% V OUT = 0.016V

Чтобы спроектировать оптимальный контур компенсации, сначала выберите характеристики переходной и частотной области, ожидаемые от конструкции преобразователя мощности. В этом примере V OUT не должен взлетать или опускаться более чем на 3% в ответ на 30% изменение нагрузки со скоростью нарастания 10 А / мкс.

Характеристики переходной нагрузки

:

I ШАГ = 30% (I OUT ) = 24A

ΔV pk_Soad_Droop = 3% V OUT = 0.024В

Компенсационная конструкция MAX20796 рекомендует выбирать полосу пропускания контура напряжения в диапазоне от f SW /5 до f SW /10 для достижения быстрого отклика во временной области. В этом примере использования выбранная желаемая полоса пропускания равна f SW /5 = 80 кГц. Выбор полосы пропускания выше f SW /4 снижает общую стабильность системы из-за влияния полюсов высоких частот.

Требуемая полоса пропускания контура напряжения:

Выбор значений индуктивности и выходного конденсатора

Связанные индукторы имеют огромное преимущество для достижения решений с высокой плотностью мощности для многофазных схем.По сравнению с эквивалентными дискретными индукторами, связанные индукторы создают меньшую фазу пульсаций, что приводит к более высокому КПД. Для этого примера использования выбрана связанная катушка индуктивности с фазной индуктивностью (L K ) 100 нГн.

Выходной конденсатор выбирается по следующим критериям:

  • Устойчивое состояние ( COUT_STEADY_STATE ): величина размаха пульсаций напряжения, поддерживаемая во время работы в установившемся режиме. Уравнение для этого критерия не учитывает эффект ESR конденсатора.

, где ΔVI Total — это пульсация pk-pk суммы токов во всех фазах и рассчитывается как:

Примечание: Это уравнение применимо для работы с

Ток пульсаций pk-pk одинаков для связанной катушки индуктивности и дискретной катушки индуктивности (с равным значением индуктивности), поэтому расчет для C OUT_STEADY_STATE является независимым для любой из катушек индуктивности.

  • Переходный процесс: необходимо выбрать подходящий конденсатор, чтобы величина скачка / спада напряжения V OUT в ответ на скачкообразное изменение нагрузки находилась в пределах требуемых характеристик.Следующие два критерия переходных процессов должны быть оценены для определения оптимальной емкости:
    • Критерии переходных процессов 1: Рассчитайте емкость (C OUT_TRANSIENT_CRITERIA1 ), чтобы оценить, достаточно ли катушки индуктивности для подачи заряда (ΔQ CAP_DEMAND ) во время переходная нагрузка-шаг.

    • Переходные критерии 2: Смоделируйте контур управления для достижения желаемого значения полосы пропускания для расчета емкости (C OUT_TRANSIENT_CRITERIA2 ), чтобы соответствовать спецификации нарастания / спада в ответ на скачок нагрузки.

Примечание. Уравнение для C OUT_TRANSIENT_CRITERIA2 основано на бесконечной скорости нарастания. Скорость нарастания выходного напряжения конечна, и фактическая емкость может быть меньше, чем при вычислении по приведенной выше формуле.

Выберите наибольшее значение среди трех критериев (C OUT_STEADY_STATE , C OUT_TRANSIENT_CRITERIA1 и C OUT_TRANSIENT_CRITERIA2 ) в качестве окончательного значения выходной емкости. Для этой конструкции 27 керамических конденсаторов емкостью 100 мкФ (6.3 В, размер 1210) установлены на плате, чтобы учесть характеристики снижения напряжения конденсаторов. Для компактного решения рекомендуется 1206 керамических конденсаторов.

Выбор параметров контура управления

MAX20796 — это вариант контроллера режима пикового тока с внешним контуром напряжения и внутренним контуром тока. Оба контура имеют специальный компенсатор с коэффициентом усиления и нулевым положением, который может настраивать пользователь. Выход токового контура является входом в модулятор, который генерирует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) на основе управляющего воздействия с обратной связью.Шаги в этом разделе предоставляют дополнительную информацию о выборе компенсации.

Шаг 1: Выберите нулевой токовый контур

Катушка индуктивности и выходной конденсатор создают двойной полюс в частотной области, который рассчитывается как f LC .

Являясь топологией управления током, индуктор ведет себя как источник тока, управляемый напряжением, что означает, что двойной полюс в f LC сокращен до однополюсной системы. Чтобы ослабить влияние этого полюса, выберите нулевое значение токовой петли (f ZC ) равным или меньшим, чем f LC .

Текущее нулевое местоположение:

Ближайшее доступное нижнее значение для этого текущего выбора нуля для данной системы выбирается равным 18 кГц.

Шаг 2: Выберите R
INT

R INT — значение резистора, определяющего коэффициент усиления компенсатора токовой петли. Входом в токовый контур является разность (I_ERR) между заданным током, заданным контуром напряжения, и измеренным током от силового каскада (I TOTAL ).Произведение I_ERR и R INT определяется как ΔV RINT и должно быть не менее 0,1 В для обеспечения устойчивости к источникам фонового шума. Рекомендуется, чтобы максимальное значение ΔV RINT составляло 0,2 В, чтобы избежать ограничений по запасу напряжения в цепи модулятора.

Где:

ΔV RINT рекомендуется использовать с шагом 0,1 В или 0,2 В

K i — текущее усиление чувствительности, его значение составляет 10 5

Уравнение для R INT выбирает ΔV RINT равным 0.2 В, поскольку большее значение обеспечивает лучшую помехозащищенность. Ближайшее значение R INT] для 2209 Ом равно

. выбран для этой системы.
Шаг 3: Выберите PWM_RAMP

Чтобы избежать субгармонических колебаний при управлении в режиме тока, распространенным методом является добавление стабилизирующего пилообразного сигнала к измеряемому току. Рекомендуется выбирать крутизну добавленной кривой, равную крутизне спада измеренного тока катушки индуктивности. По аналогичному принципу минимальная величина PWM_RAMP (В / мкс) для MAX20796 рассчитывается следующим образом:

где:

K IP составляет 1,25 и является пропорциональным коэффициентом усиления компенсатора токовой петли

.

Используйте значение 1.27 В / мкс в качестве подходящей теоретической отправной точки. Чтобы обеспечить дополнительную помехозащищенность схемы модулятора и гарантировать надежную работу, значение 2,55 В / мкс выбирается эмпирически таким образом, чтобы напряжение коммутирующего узла демонстрировало стабильность устойчивого состояния в случае переходного процесса нагрузки (включения и выключения).

Необходимо принять во внимание следующие аспекты, прежде чем выбирать PWM_RAMP, намного больший, чем требуется теоретически:

  • В любом случае не выбирайте большой PWM_RAMP, если он нарушает динамический диапазон напряжения модулятора.См. Шаг 8.
  • Увеличение PWM_RAMP может уменьшить общую полосу пропускания системы. См. Шаг 9, чтобы узнать о способах преодоления потери полосы пропускания.

Примечание. Эти аспекты верны для случаев использования с продолжительностью включения около 175 нс или больше. Для меньшего времени включения требуется больший PWM_RAMP.

Шаг 4: Выберите R
OCR

Для обеспечения баланса между фазными токами рекомендуется, чтобы значение R OCR было в пределах 3-5 раз от выбранного значения R INT .В этом примере конструкции значение R OCR выбрано равным 11,8 кОм.

Примечание. По умолчанию устройство автоматически устанавливает подходящее значение для R OCR на основе выбора штыря R INT . Однако пользователь всегда может изменить R OCR с помощью команды PMBus ™. Если такое измененное PMBus значение R OCR сохраняется с использованием команды STORE_INVENTORY, после этого изменение в R INT не повлияет на значение R OCR .

Шаг 5: Выберите нулевое значение контура напряжения

При управлении в токовом режиме выход контура напряжения обеспечивает командную ссылку для работы токового контура. При работе с замкнутым контуром токовый контур можно представить как механизм, который обеспечивает постоянное усиление между измеренным током и заданным током.

Чтобы обеспечить достаточный запас по фазе для преобразователя мощности, архитектура MAX20796 позволяет пользователю выбирать положение нуля контура напряжения (f ZV ).Более низкое значение нуля контура напряжения помогает обеспечить больший скачок фазы. Однако слишком низкое значение подразумевает большую постоянную времени для системы и приводит к увеличению времени восстановления выходного напряжения в случае переходного процесса нагрузки. Слишком высокое нулевое значение напряжения может обеспечить меньший скачок фазы (при желаемой полосе пропускания) и уменьшить запас по фазе. Для MAX20796 установка нуля контура напряжения как 1/5 от желаемой полосы пропускания контура напряжения обеспечивает оптимальную производительность.

Для этого примера конструкции нулевое напряжение выбрано как 10.3 кГц, это первое доступное значение перемычки, которое ниже расчетного.

Шаг 6: Выберите IDES_GAIN

IDES_GAIN обозначает пропорциональный коэффициент усиления контура напряжения. Для IDES_GAIN используется значение 0,98 (по умолчанию). MAX20796 поддерживает увеличение значения до 10 раз от самого низкого значения. Изменение IDES_GAIN может оказаться удобной «ручкой» для увеличения коэффициента усиления системы, что приводит к увеличению пропускной способности. «Ручка» удобна для преодоления потери полосы пропускания из-за следующего:

  • Использование большего PWM_RAMP для обеспечения помехоустойчивости системы
  • Использование большей выходной емкости
Шаг 7: Выберите LEAD_LAG

MAX20796 имеет возможность добавить сеть опережения-запаздывания в компенсатор контура напряжения, чтобы обеспечить скачок фазы на 25, 35 или 45 градусов при 60 кГц, 90 кГц, 120 кГц или 160 кГц.Сеть с опережением и запаздыванием помогает увеличить запас по фазе и устойчивость преобразователя к переходным процессам на частоте перехода через нуль, также известной как полоса пропускания.

Примечание. Увеличение запаса по фазе с помощью параметров LEAD_LAG приводит к ослаблению усиления контура напряжения на 0,81, 0,54 или 0,34 в зависимости от выбора. Это приводит к уменьшению пропускной способности, которую можно увеличить, используя более высокое значение IDES_GAIN.

Сеть опережения-запаздывания также может быть настроена в режиме чистого аттенюатора, который не обеспечивает скачков фазы.Эта конфигурация может помочь преобразователю улучшить запас по фазе на 5–10 градусов за счет некоторой потери полосы пропускания.

Шаг 8: Проверка достаточного запаса напряжения

Как показано на шагах 1–5, параметры компенсации могут быть соответствующим образом рассчитаны для данного параметра схемы и требований к производительности. Однако работа с выбранными параметрами не должна превышать запас по напряжению внутри ИС. Используйте следующее уравнение для расчета диапазона напряжений в цепи.Диапазон напряжения не должен превышать 1,2 В.

Для этого варианта использования диапазон напряжений составляет 0,676 В, что находится в пределах рекомендованного максимума 1,2 В.

Шаг 9: стендовая оценка

После выбора начальной настройки компенсации с помощью шагов 1–8 оцените выбор этих параметров на стенде. Двухэтапный итерационный процесс выглядит следующим образом:

Шаг 9a: Частотная характеристика
  1. Измерьте частотную характеристику преобразователя мощности при работе с полной нагрузкой.
  2. Отрегулируйте параметры компенсации, чтобы ширина полосы контура напряжения находилась в пределах ± 10% от f SW /5, сохраняя при этом запас по фазе ≥55 градусов. Вот несколько технических соображений, которые могут оказаться полезными при попытке соответствовать этому критерию:
    • Увеличьте или уменьшите пропускную способность, изменив IDES_GAIN.
    • Увеличьте количество конденсаторов, чтобы улучшить запас по фазе. Однако это может снизить пропускную способность системы.
    • Уменьшите нулевое значение контура напряжения, чтобы сократить время установления после переходного процесса скачка нагрузки.
    • Используйте настройки LEAD_LAG для увеличения запаса по фазе за счет уменьшения полосы пропускания.
    • Используйте IDES_GAIN, чтобы преодолеть потерю полосы пропускания, которая возникает из-за использования LEAD_LAG или более высокого значения PWM_RAMP. Разумное использование обеих этих настроек может помочь достичь желаемой полосы пропускания и большого запаса по фазе.
Шаг 9b: переходная характеристика

Когда наблюдается, что частотная характеристика имеет достаточную полосу пропускания и запас по фазе, примените переходный процесс скачка нагрузки и проверьте, находится ли скачок или спад V OUT в пределах требуемых параметров.

Стендовые измерения с выбранной компенсацией

На рисунке 1 показана частотная характеристика, измеренная на стенде (ток нагрузки = 80 А). Полоса пропускания преобразователя составляет 83 кГц, а запас по фазе составляет примерно 56 градусов. По сравнению с настройками, продемонстрированными на шагах 1–8, вместо значения по умолчанию 0,98 использовалось значение IDES_GAIN 2,65. Использование более высокого IDES_GAIN может потребоваться для использования более высокого PWM_RAMP или конденсаторов большего размера из-за приблизительной оценки снижения номинальных характеристик.В результате чем выше IDES_GAIN, тем меньше пропускная способность, чем рассчитано теоретически.

Рис. 1. График Боде при нагрузке 80А без LEAD_LAG.

На рис. 2 показана переходная характеристика преобразователя. В ответ на скачок нагрузки 33% (скорость нарастания = 10 А / мкс) выход преобразователя соответствует требуемым характеристикам скачка / спада ± 3% (± 24 мВ) без включения пульсаций напряжения.

Рисунок 2. Переходный ответ без LEAD_LAG.

Использование LEAD_LAG

На рисунке 3 показан график Боде для той же системы, которая использовалась для генерации рисунка 1, за исключением того, что компенсатор LEAD_LAG включен для обеспечения повышения фазы на 25 градусов на частоте 160 кГц.PWM_RAMP увеличивается до 3,18 В / мкс (по сравнению с рис. 1, на котором используется 2,55 В / мкс), чтобы обеспечить дополнительную стабильность в установившемся режиме, обеспечивая при этом диапазон напряжений в пределах 1,2 В.

По сравнению с рис. 1, на рис. 3 показан лучший запас по фазе, составляющий примерно 72 градуса, при неизменной полосе пропускания примерно 80 кГц.

Рис. 3. График Боде при нагрузке 80А с выбором LEAD_LAG.

Рисунок 4 показывает переходную характеристику системы, измеренную на Рисунке 3.По сравнению с рис. 2, скачок / спад напряжения показывает более затухающую характеристику из-за увеличенного запаса по фазе.

Рисунок 4. Переходный процесс с выбранным LEAD_LAG.

Заключение

Это примечание по применению демонстрирует, что процедура расчета компенсации MAX20796 позволяет получить высокопроизводительное решение по преобразованию мощности. Используя формулы и практические рекомендации, MAX20796 может быть легко сконфигурирован для соответствия строгим и высококачественным частотным и переходным характеристикам.

Приложение

В этом приложении представлена ​​быстрая демонстрация двухфазного решения, реализованного с использованием MAX20796. В таблице 1 перечислены рабочие параметры.

Таблица 1. Определение варианта использования

Параметры Значение
В ВН (В) 5
В ВЫХ (В) 1
f SW (кГц) 400
Фазы 2
Индуктор 100 нГн соединенный
Желаемая полоса пропускания (кГц) 400/5 = 80
Полная нагрузка (A) 50
Пульсации в устойчивом состоянии (мВ) 20
Шаг нагрузки 15 A при 10 A / мкс
(30% полной нагрузки)
Взлет / падение (при скачке нагрузки) 30 мВ (3% В ВЫХ )

Следуя процедуре расчета компенсации, упомянутой в шагах 1–9, Таблица 2 показывает параметры компенсации для преобразователя в таблице 1.

Таблица 2. Параметры компенсации

Параметры Значение
Емкость (мкФ) 1000
f ZC (кГц) 18к
R INT (Ом) 2964
PWM_RAMP (В / мкс) 0,85
R OCR (Ом) 11,8 тыс.
f ZV (кГц) 10.3к
LEAD_LAG Отключено

Примечание. Для достижения емкости 1000 мкФ установлены керамические конденсаторы 13 x 100 мкФ (размер 1210, 6,3 В) для компенсации снижения номинальных характеристик конденсаторов.

На рис. 5 показан график Боде, измеренный для системы. График Боде достигает желаемой полосы пропускания примерно 80 кГц и имеет запас по фазе, близкий к 60 градусам, даже без использования настроек LEAD_LAG.

Рисунок 5.График Боде для случая использования таблицы 1 с компенсацией таблицы 2.

Рисунок 6 показывает переходную характеристику для скачка нагрузки 30%, приложенного к выходу регулятора. При достаточной полосе пропускания и запасе по фазе переходная характеристика имеет хорошее поведение, а скачок / спад легко находится в пределах требуемого допуска ± 3%.

Использование:

В IN = 5 В, В OUT = 1 В, N PH = 2, F SW = 400 кГц

Индуктор = 100 нГн, конденсаторы = 13 x 100 мкФ керамические (размер 1210, 6.3 В, X5R)

Рис. 6. График Боде для варианта использования Таблицы 1 с компенсацией Таблицы 2.

Товарные знаки

PMBus является товарным знаком SMIF, Inc.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *