Надежность электрической сети напрямую зависит от правильности срабатывания защитных устройств. Петля фаза ноль позволяет проверить их работоспособность в сети до 1 кВ с глухо-заземленной нейтралью. Поэтапно разберемся, что представляет собой схема «Ф-Н», а также нюансы ее проверки.
Общее представление о цепи «фаза ноль»
Большинство потребителей электроэнергии запитаны сетями с уровнем напряжения до 1 кВ через трехфазный трансформатор. Для обеспечения безопасности в них используется глухо-заземленная нейтраль. В ней возможно появление тока из-за сдвига фаз в обмотках трансформатора, которые соединены по схеме звезды.
к содержанию ↑В случае возникновения контакта между линейным и нулевым или защитным проводом формируется контур «фаза-нуль». Указанная связь приводит к образованию короткого замыкания. В цепи могут находиться соединительные провода, коммутационная и защитная аппаратура, что сопровождается формированием определенного значения сопротивления.
Зачем проверяется петля «фаза ноль»
Изучение показателей схемы «Ф-Н» осуществляется для определения слабых мест в действующей сети. Это может своевременно предотвратить развитие более серьезных аварий в питающей цепи. Еще одной важной функцией указанного тестирования является проверка соответствия установленных коммутационных и защитных устройств токам короткого замыкания. Это требуется для предотвращения воспламенения проводки.
Проведение испытаний электросети
к содержанию ↑Сроки проведения испытаний
Электрические сети и оборудование эксплуатируются в различных режимах. Со временем наблюдается естественное старение изоляции кабеля, ухудшение свойств проводников из-за токовых перегрузок, отклонений напряжения, влияния окружающей среды и т. д. Этим обусловлена необходимость в периодической проверке целостности контура фаза ноль.
В соответствии с указаниями ПУЭ испытание петли «Ф-Н» проводится, как минимум, один раз в 36 месяцев, а для электрических сетей, эксплуатируемых в опасных или агрессивных средах, как минимум, один раз в 24 месяца. Также предусматриваются внеплановые проверки, в следующих ситуациях:
- при внедрении в работу нового оборудования;
- после осуществления модернизации, профилактики или ремонта действующей сети;
- по требованию поставщика электроэнергии;
- по факту запроса от потребителя.
Периодичность осмотров электрооборудования жилых домов
к содержанию ↑Методы и порядок проверки сопротивления контура «Ф-Н»
Проверка сопротивления петли «фаза нуль» подразумевает замер тока короткого замыкания на конкретном участке электрической цепи. В дальнейшем зафиксированное значение сопоставляется с отключающими уставками автоматов. При этом измерения проводятся либо непосредственно под рабочим напряжением, либо с питанием от постороннего источника.
Визуальный контроль
Первоначально понадобится изучить имеющиеся схемы и документацию. В дальнейшем осуществляется визуальный осмотр всех элементов цепи на предмет выявления явных недостатков и повреждений. В процессе выполнения указанных мероприятий рекомендуется проверить качество затяжки контактных соединений. Иначе велика вероятность получения недостоверных измеренных данных.
Осмотр элементов электросети на соответствие схеме
к содержанию ↑Замер показателей контура «Ф-Н»
В ходе испытаний могут использоваться различные специализированные приборы, которые могут использовать следующие методики измерений:
- Падения напряжения — проводится на обесточенной цепи с дальнейшим подсоединением сопротивления установленной величины. Зафиксированные показания сверяются с допустимыми нормами значениями после проведения расчетов.
- Короткого замыкания — предполагает осуществление испытаний при наличии напряжения. Измерительное устройство формирует искусственное короткое замыкание на конечном участке от ввода питания с дальнейшей фиксацией величины тока и времени отработки защитных элементов.
- Амперметра-Вольтметра — подразумевает применение понижающего трансформатора переменного тока с замыканием фазного провода на защитное заземление электрической цепи. Предварительно выполняется обесточивание питающей сети. Необходимые показания получаются после проведения расчетов.
Вычисления и оформление документации
Заключительным этапом испытания является расчет величины тока короткого замыкания. Он определяется по соотношению:
Iкз = Uф/R, где
Uф — фазное напряжение сети;
R — полное сопротивление цепи.
Вычисленная величина сопоставляется с пределом отключения Iкз защитными аппаратами. Для определения минимальной и максимальной уставки срабатывания понадобится номинальный ток автомата увеличить в определенное количество раз, в зависимости от типа установленного защитного устройства. Ниже приведена требуемая кратность для минимального и максимального тока отключения по отношению к номинальному для конкретных серий автоматов:
- В — 3 и 5;
- С — 5 и 10;
- D и К — 10 и 14.
Итог испытания подводится в специальном протоколе, о содержании которого будет указано далее с предоставлением примера заполнения.
к содержанию ↑Приборы для проведения измерений
Замерить основные показатели контура «Ф-Н» можно двумя типами приборов. Первые допускается использовать исключительно после снятия напряжения, а вторые способны работать под нагрузкой. Также имеются различия в выводе количества информации.
Специалисты рекомендуют использовать следующие модели приборов:
- MZC 300 — современный микропроцессорный измеритель, о нюансах работы которого мы расскажем далее.
- М-417 — зарекомендовал себя с наилучшей стороны много лет назад. Испытания ведутся по методу падения напряжения. При этом измеритель можно использовать под рабочим линейным напряжением в сетях с глухо-заземленной нейтралью. Размыкание испытываемой схемы осуществляется за 0,3 с. Предварительно понадобится выполнить калибровку.
- ИФН-200 — предназначен для проверки цепей с сопротивлением до 1 кОм, с допустимым напряжением от 180 до 250 В. Помимо замера схемы «Ф-Н», способен функционировать и в других режимах. Память ИФН-200 может хранить данные о тридцати пяти крайних вычислениях.
Измеритель сопротивления ИФН-200
к содержанию ↑Подведение итогов и опасности от проведения неправильного измерения
По полученной в результате измерений информации делается заключение о возможности дальнейшей эксплуатации сети. При выявлении несоответствия отключающих уставок защитных аппаратов зафиксированному Iкз, выносится решение о необходимости их замены.
Протокол по проведенным замерам контура «фаза нуль»
На основании произведенных измерений оформляется специальный протокол. Он используется для хранения зафиксированных показаний, а также для осуществления сравнительного анализа с последующими тестами.
В протоколе отображается следующая информация:
- дата проведения;
- номер протокола;
- цель проведения тестирования;
- данные об организации, проводящей испытания;
- информация о заказчике;
- действующие климатические условия: атмосферное давление, температура и влажность воздуха;
- диапазон измерения, класс точности и вид расцепителя;
- измеритель, используемый для тестирования;
- зафиксированные показания;
- итог испытаний;
- должности, фамилии и подписи лиц, проводивших замеры и проверивших протокол.
к содержанию ↑Обратите внимание! В случае положительного итога цепь допускается к эксплуатации без ограничений. При выявлении недостатков составляется перечень требуемых действий для восстановления необходимых показателей.
Техника безопасности при замере контура «Ф-Н»
Процедура замера контура фаза ноль должна вестись специалистами в возрасте от 18 лет, сдавшими экзамен по межотраслевым нормам и правилам техники безопасности. Работы должны осуществляться в соответствии с ПУЭ и при наличии требуемых приборов и инструментов.
Проведение работ должно оформляться нарядом или распоряжением. В состав бригады должны входить, как минимум, два специалиста с третьей группой по электробезопасности. Запрещается производить тестирование в условиях повышенной влажности и опасности.
Проведение проверки цепи фаза-ноль
к содержанию ↑Испытание цепи «Ф-Н» измерителем MZC 300
Измерение петли фаза ноль прибором MZC 300 требует соблюдения определенной последовательности действий, учитывая некоторые особенности устройства.
Обязательные условия
Первоначально рекомендуется включить MZC 300 и убедиться в отсутствии на экране надписи bAt. Она сигнализирует о разряженных батарейках, а следовательно, провести достоверные измерения не удастся.
В процессе осуществления замеров могут появляться характерные ошибки, обусловленные следующими причинами:
- Напряжение сети менее 180 или более 250 Вольт. В первом случае на экране высветится буква U в сопровождении с двумя звуковыми сигналами, а во втором надпись OFL и одно продолжительное звучание.
- Высокая нагрузка на измеритель, сопровождающаяся перегревом. На дисплее высветится буква T, а зуммер выдаст два длительных звука.
- Обрыв нулевого или защитного провода в исследуемой схеме, что сопровождается появлением на дисплее символа «— —» и продолжительным звуком.
- Превышено допустимое значение общего сопротивления исследуемой схемы — два продолжительных звука и символ «—».
Способы подключения
С помощью MZC 300 можно произвести замеры различных участков цепи. При этом необходимо обеспечить качественный контакт наконечников прибора.
Далее представлен порядок подключения измерителя в зависимости от вида проводимого тестирования:
- Снятие характеристик с петли «Ф-Н» — один наконечник измерителя фиксируется к нулевому (N) проводу, а второй поочередно устанавливается на линейные (L) провода.
- Проверка защитной цепи — один контакт поочередно крепится к линейным проводникам, а второй к защитному заземлению (PE).
- Тестирование надежности заземления корпуса электрооборудования производится в зависимости от типа сети — с занулением (TE) или с защитным заземлением (TT). При этом порядок производства измерений идентичен. Один наконечник прибора цепляется к корпусу электрооборудования, а второй поочередно к питающим проводникам.
Считывание показаний о напряжении сети
MZC 300 рассчитан на выдачу показаний фазного напряжения в пределах от 0 до 250 В. Для снятия данных понадобится нажать на клавишу «Start». При отсутствии указанных манипуляций измерительное устройство автоматически выведет на дисплей полученное значение, по истечении пяти секунд с момента начала тестирования.
Измерение характеристик контура «Ф-Н»
Для получения основных показателей в MZC 300 используется методика искусственного короткого замыкания. Она позволяет измерить полное сопротивление петли, разлагая на активную и реактивную составляющую, а также выдавая данные по углу сдвига фаз и величине предполагаемого Iкз. Для их поочередного просмотра понадобится нажимать кнопку «Z/I».
Измерительный ток протекает по тестируемому контуру в течение 30 мс. Для ограничения величины тока в схеме прибора смонтирован ограничивающий резистор на 10 Ом. При этом прибор автоматически устанавливает требуемую величину измерительного тока, учитывая уровень напряжения в сети и величину сопротивления схемы «Ф-Н».
Обратите внимание! При проведении тестирования важно учитывать, что прибор ведет расчеты с учетом номинального значения напряжения 220 В, независимо от действующих показаний в сети. Поэтому в дальнейшем необходимо осуществить корректировку полученного значения предполагаемого Iкз в цепи «Ф-Н». Для этого необходимо измерить действующее значение напряжения и разделить на 220. Полученное значение умножить на измеренный прибором Iкз.
При наличии в схеме УЗО следует предварительно исключить защитный аппарат из тестируемого контура посредством установки шунта. Это обусловлено тем, что подаваемый от MZC 300 измерительный ток приводит к отключению УЗО.
к содержанию ↑Вывод результатов измерения
После осуществления необходимых подключений на экране прибора будет отражаться уровень напряжения сети. Процесс измерения начинается после нажатия кнопки «Start». По факту окончания тестирования на дисплей выводится информация о величине полного сопротивления или предполагаемого Iкз, в зависимости от первоначальных установок. Для отображения других доступных показаний понадобится использовать клавишу «SEL».
Вывод результатов испытания на экранДля получения достоверных измерений цепи «Ф-Н» рекомендуется воспользоваться услугами профессионалов. От правильности испытаний зависит дальнейшая безопасность эксплуатации электрической сети.
Петля фаза ноль: общее представление и методика, периодичность и приборы для измерения
Главная › Документация
Краткое содержание.
- Петля Ф-Н — это измерение в электроустановках до 1000 В. Представляет из себя контур, соединяющий фазу и ноль.
- Необходимо для проверки качества монтажа и соответствия защитной автоматики сечению проводов.
- Периодичность — не реже 1 раза в 3 года.
- Обычно проводится без снятия напряжения.
- При помощи прибора ИФН или аналогичного измеряется ток короткого замыкания (КЗ) в самой отдаленной точке от распределительного щита.
- Ток КЗ должен быть больше номинала защитного устройства не менее чем в 3 раза.
- Протокол содержит номинал автомата, соответствующие измеренные значения и другие данные установленной формы.
1. Что такое петля фаза-ноль
В электрических установках напряжением до 1000 вольт с глухозаземленной нейтралью обязательна металлическая связь частей, подлежащих заземлению, с заземленной нейтралью электроустановки. Для таких установок должно быть измерено сопротивление петли, образованной при коротком замыкании фазы на корпус аппарата. Это сопротивление равно сумме полных сопротивлений фазового провода, фазы силового трансформатора и нулевого провода.
Цепь (петля) фаза-ноль в электроустановках с глухозаземленной нейтралью образуется при замыкании фазного провода с нулевым или корпусом электрооборудования. Обычно это происходит при повреждении изоляции электропроводки. В случае такой аварии устройства защиты (автоматические выключатели, предохранители) должны отключить электроустановку в кратчайшее время, обеспечивающее условия электробезопасности.
Петля фаза-ноль — это контур, состоящий из соединения фазного и нулевого проводника. Сопротивление петли фаза-ноль зависит от сечения жил кабеля, его протяженности, переходных сопротивлений в соединительных коробках данной линии. Измерения проводят на самом удаленном от аппарата защиты участке линии.
2. Зачем необходимо измерение
При повреждении электрооборудования или электропроводки от короткого замыкания, перегрузки, аппараты защиты должны мгновенно отключать поврежденный участок цепи.
Данное испытание необходимо для проверки соответствия уставки токовой отсечки автоматических выключателей, УЗО, дифавтоматов, реле и т.д. току короткого замыкания. То есть необходимо знать, отключит ли аппарат защиты поврежденную линию и за какое время. Это позволит проверить качество монтажа, подбор защитной автоматики и сечения проводов.
2.1. Периодичность проведения измерений
Замеры проводятся после выполнения монтажных и ремонтных работ. В дальнейшем профилактическая проверка производится не реже чем раз в 3 года.
По усмотрению ответственного за электрохозяйство испытания проводятся чаще.
3. Какие приборы используют?
- М-417 — выпускался до 1985 года. Аналоговый прибор, время измерения устанавливается вручную. Измеряет сопротивление петли, ток короткого замыкания необходимо рассчитывать.
- Щ 41160 – выпускался на замену М-417. Цифровой прибор, измеряет ток короткого замыкания. Время протекания измерительного тока не более 10 мс., перерыв до повторного включения не менее 15 минут.
- MZC-300 – измеряет полное сопротивление петли фаза-ноль, автоматически вычисляет ток короткого замыкания. Время протекания тока 30 мс. Достоверность показаний гарантируется только при применении фирменных соединительных проводов.
- ИФН-200 – имеет характеристики, аналогичные МZС-300. Дополнительно позволяет измерять переходное сопротивление контактных соединений. Можно применять провода произвольной длины. Встроенная память на 35 измерений.
- ИФН-300 – выпускается на замену ИФН-200. Дополнительно измеряет сопротивление петли фаза-фаза. Встроенная память на 10 000 измерений.
4. Порядок измерения петли фаза-ноль
Измерение сопротивления цепи фаза-ноль может проводиться со снятием и без снятия напряжения. В большинстве случаев выполняются без снятия напряжения.
Измерения без снятия напряжения могут выполняться:
- В режиме дополнительной нагрузки. Замыкание цепи фаза-ноль происходит через дополнительную нагрузку. При этом измеряются падение напряжение и ток, проходящий через нагрузку и вычисляется сопротивление петли.
- В режиме кратковременного замыкания цепи. Время замыкания составляет несколько миллисекунд. Этот способ реализован в большинстве современных приборов.
4.1. Методика измерения
Измерение характеристик петли зависит от выбранной методики и используемого прибора. Наиболее часто применяются приборы, измеряющие непосредственно сопротивление петли фаза-ноль с дальнейшим вычислением прогнозируемого тока короткого замыкания. Например, с помощью ИФН-200.
Прибор подключается к рабочей цепи в наиболее отдаленной точке от вводного щита. При отсутствии возможности определить самую дальнюю точку линии, измерения выполняются по всем или нескольким точкам данной линии. Далее по полученным значениям производится сравнение тока возможного короткого замыкания с характеристиками аппарата защиты.
4.2. Выводы о результатах
Результаты измерений сопротивления петли фаза-ноль заносятся в протокол. Это позволяет сохранить результаты и использовать их для сравнения в будущем.
Согласно п. 28.4. прил. 3.1 ПТЭЭП ток короткого замыкания должен превышать не менее чем:
- в 3 раза плавкую вставку ближайшего предохранителя;
- в 3 раза номинальный ток нерегулируемого расцепителя или уставку тока регулируемого расцепителя автоматического выключателя, имеющего обратно зависимую характеристику.
4.3 Форма протокола
В отчете отражается:
- Участок цепи (группа в распределительном щите).
- Тип автомата защиты и номинальные токи ( в амперах) теплового и электромагнитного расцепителей.
- Измеренное значение сопротивления петли (если прибор его измеряет) на линиях A (L1), B (L2), C (L3).
- Измеренное значение тока короткого замыкания (если прибор его измеряет) на линиях A (L1), B (L2), C (L3).
- Допустимые коэффициенты срабатывания защиты для теплового и электромагнитного расцепителя. Для автомата с характеристикой С это 3 и 10.
- Фактический коэффициент срабатывания защиты. Отношение измеренного тока к номинальному току автомата.
- Соответствие фактического коэффициента допустимым. Если рассчитанное в п. 6 значение больше 10 то автомат отключится меньше чем за 0,1 секунды. Если меньше 10 но больше 3, время отключения сложно определить. Оно будет в интервале 0,1 — 30 секунд.
Зная параметры автомата защиты конкретной линии, после проведения измерения, можно с уверенностью сказать, сможет ли автомат сработать при коротком замыкании или возможно возгорание проводов.
В конце составленной формы подводятся итоги испытания. При отсутствии замечаний в заключении указывается возможность дальнейшей эксплуатации сети без принятия дополнительных мер, а при наличии — список необходимых действий.
Своевременный поиск проблемных участков линий электропитания позволяет принимать профилактические меры. Это не только делает работу электроустановки более безопасной, но и увеличивает срок эксплуатации сети.
1.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 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 или щитков 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 расцепитель 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.
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.
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.
7.2.1Порядок 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 время измерений.
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.
Как измерить сопротивление петли фаза-ноль?
Обзор методик и приборов для измерения сопротивления петли фаза-ноль. Узнайте, для чего нужно проводить замеры и как вносить результаты в протокол.
Со временем эксплуатации линии электроснабжения в них происходят изменения, которые невозможно проконтролировать визуально или установить их с помощью математических расчетов. Для стабильной и бесперебойной работы электрооборудования необходимо периодически делать замеры определенных параметров. Одним из них является измерение петли фаза-ноль, которое делают при помощи специальных приборов. Если фазный провод замкнуть на нулевой в точке потребления, то между фазным и нулевым проводником создается контур, который и является петлей фаза-ноль. В нее входят: трансформатор, рубильники, выключатели, пускатели – все коммутационное оборудование. Ниже мы расскажем читателям Сам Электрик, как измерить сопротивление петли, предоставив существующие методики и оборудование. Содержание:
Периодичность и назначение замеров
Для надежной работы электросети необходимо периодически проводить проверку силового кабеля и оборудования. Перед сдачей объекта в эксплуатацию, после капитального и текущего ремонта электросетей, после проведения пуско-наладочных работ, а также по графику, установленном руководителем предприятия проводят эти испытания. Измерения делают по следующим основным параметрам:
- сопротивление изоляции;
- сопротивление петли фаза-ноль;
- параметры заземления;
- параметры автоматических выключателей.
Основной задачей измерения параметра петли фаза-ноль является защита электрооборудования и кабелей от перегрузок, возникающих в процессе эксплуатации. Повышенное сопротивление может привести к перегреву линии, и как следствие, к пожару. Большое влияние на качество кабеля, воздушной линии оказывает окружающая среда. Температура, влажность, агрессивная среда, время суток – все это оказывает влияние на состояние сети.
В цепь для проведения замеров включают контакты автоматической защиты, рубильники, контакторы, а также проводники подачи напряжения к электроустановкам. Этими проводниками могут быть силовые кабели, подающие фазу и ноль, или воздушные линии, выполняющие эту же функцию. При наличии защитного заземления — фазный проводник и провод заземления. Такая цепь имеет определенное сопротивление.
Полное сопротивление петли фаза-ноль можно рассчитать с помощью формул, которые будут учитывать сечение проводников, их материал, протяженность линии, хотя точность расчетов будет небольшой. Более точный результат можно получить, измерив физическую цепь с имеющимися устройствами.
В случае использование в сети устройства защитного отключения (УЗО), его при измерении необходимо отключить. Параметры УЗО рассчитаны так, что при прохождении больших токов оно произведет отключение сети, что не даст достоверных результатов.
Обзор методик
Существуют разные методики для проверки петли фаза-ноль, а также разнообразные специальные измерительные приборы. Что касается методов измерения, основными считаются:
- Метод падения напряжения. Замеры проводят при отключенной нагрузке, после чего подключают нагрузочное сопротивление известной величины. Работы выполняются с использованием специального устройства. Результат обрабатывают и с помощью расчетов делают сравнение с нормативными данными.
- Метод короткого замыкания цепи. В этом случае проводят подключение прибора к цепи и искусственно создают короткое замыкание в дальней точке потребления. С помощью прибора определяют ток короткого замыкания и время срабатывания защит, после чего делают вывод о соответствии нормам данной сети.
- Метод амперметра-вольтметра. Снимают питающее напряжение после чего, используя понижающий трансформатор на переменном токе, замыкают фазный провод на корпус действующей электроустановки. Полученные данные обрабатывают и с помощью формул определяют нужный параметр.
Основной методикой такого испытания стало измерение падения напряжения при подключении нагрузочного сопротивления. Этот метод стал основным, ввиду его простоты использования и возможности дальнейших расчетов, которые нужно провести для получения дальнейших результатов. При измерении петли фаза-ноль в пределах одного здания, нагрузочное сопротивление включают на самом дальнем участке цепи, максимально удаленном от места подачи питания. Подключение приборов проводят к хорошо очищенным контактам, что нужно для достоверности замеров.
Сначала проводят измерение напряжения без нагрузки, после подключения амперметра с нагрузкой замеры повторяют. По полученным данным делают расчет сопротивления цепи фаза-ноль. Используя готовое, предназначенное для такой работы устройство, можно сразу по шкале получить нужное сопротивление.
После проведения измерения составляют протокол, в который заносят все нужные величины. Протокол должен быть стандартной формы. В него также вносят данные об измерительных приборах, которые были использованы. В конце протокола подводят итог о соответствии (несоответствии) данного участка нормативно-технической документации. Образец заполнения протокола выглядит следующим образом:
Какие приборы используют?
Для ускорения процесса измерения петли промышленность выпускает разнообразные измерительные приборы, которые можно использовать для замеров параметров сети по различным методикам. Наибольшую популярность набрали следующие модели:
- М-417. Проверенный годами и надежный прибор для измерения сопротивления цепи фаза-ноль без снятия питания. Используют для замеров параметра методом падения напряжения. При использовании этого устройства можно провести испытание цепи с напряжением 380 В с глухозаземленной нейтралью. Он обеспечит размыкание измерительной цепи за 0,3 с. Недостатком является необходимость калибровки перед началом работы.
- MZC-300. Устройство нового поколения, построенное на базе микропроцессора. Использует метод измерения падения напряжения при подключении известного сопротивления (10 Ом). Напряжение 180-250 В, время замера 0,03 с. Подключают прибор к сети в дальней точке, нажимают кнопку старт. Результат выводится на цифровой дисплей, рассчитанный с помощью процессора.
- Измеритель ИФН-200. Выполняет много функций, в том числе, и измерение петли фаза-ноль. Напряжение 180-250 В. Для подключения к сети есть соответствующие разъемы. Готов к работе через 10 с. Подключаемое сопротивление 10 Ом. При сопротивлении цепи более 1 кОм измерение проводиться не будут – сработает защита. Энергонезависимая память сохраняет 35 последних вычислений.
О том, как измерить сопротивление петли фаза-ноль с помощью приборов, вы можете узнать, просмотрев данные видео примеры:
Использование ИФН-300 Как пользоваться MZC-300Для использования вышеперечисленных методик необходимо привлекать только обученный персонал. Неправильное проведение замеров может привести к неверным конечным данным или к выходу из строя существующей системы электроснабжения. Хуже всего – это может привести к травмированию работников. Надеемся, теперь вы знаете, для чего нужно измерение петли фаза-ноль, а также какие методики и приборы для этого можно использовать.
Рекомендуем также прочитать:
- Методика проверки автоматических выключателей
- Измерение сопротивления изоляции мегаомметром
- Как пользоваться осциллографом
Использование ИФН-300 Как пользоваться MZC-300
Нравится
0)Не нравится
0)Петля фаза нуль методика измерения
Что такое петля фаза-ноль простым языком – методика проведения измерения
Электроприборы должны работать без нареканий, если электрическая цепь соответствует всем нормам и стандартам. Но в линиях электропитания происходят изменения, которые со временем сказываются на технических параметрах сети. В связи с этим необходимо проводить периодическое измерение показателей и профилактику электропитания. Как правило, проверяют работоспособность автоматов, УЗО, а также параметры петли фаза-ноль. Ниже описаны подробности об измерениях, какие приборы использовать и как анализировать полученные результаты.
Что подразумевается под термином петля фаза-ноль?
Согласно правилам ПУЭ в силовых подстанциях с напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью необходимо регулярно проводить замер сопротивления петли фаза-ноль. Электроэнергия, подаваемая потребителям, поступает с выходных обмоток трехфазного трансформатора, который подключен по схеме звезда. В результате естественного перекоса фаз по цепи нейтрали может протекать ток, поэтому для предотвращения проблемы измеряют фазу-ноль.
Петля фаза-ноль образуется в том случае, если подключить фазный провод к нулевому или защитному проводнику. В результате создается контур с собственным сопротивлением, по которому перемещается электрический ток. На практике количество элементов в петле может быть значительно больше и включать защитные автоматы, клеммы и другие связующие устройства. При необходимости, можно провести расчет сопротивления вручную, но у метода есть несколько недостатков:
- сложно учесть параметры всех коммутационных элементов, в том числе выключателей, автоматов, рубильников, которые могли измениться за время эксплуатации сети;
- невозможно рассчитать влияние аварийной ситуации на сопротивление.
Наиболее надежным способом считается замер значения с помощью поверенного аппарата, который учитывает все погрешности и показывает правильный результат. Но перед началом измерения необходимо совершить подготовительную работу.
Для чего проверяют сопротивление петли фаза-ноль
Проверка необходима для профилактических целей, а также обеспечения корректной работы защитных устройств, включая автоматические выключатели, УЗО и диффавтоматы. К примеру, распространенная проблема, когда в розетку включается чайник или другой электроприбор, а автомат отключает нагрузку.
Важно! Большое сопротивление является причиной ложного срабатывания защиты, нагрева кабелей и пожара.
Причина может заключаться во внешних факторах, на которые сложно повлиять, а также в несоответствии номинала защиты действующим параметрам. Но в большинстве случаев, дело во внутренних проблемах. Наиболее распространенные причины ошибочного срабатывания автоматов:
- неплотный контакт на клеммах;
- несоответствие тока характеристикам провода;
- уменьшение сопротивления провода из-за устаревания.
Использование измерений позволяет получить подробные данные про параметры сети, включая переходные сопротивления, а также влияние элементов контура на его работоспособность. Другими словами, петля фаза-ноль используется для профилактики защитных устройств и корректного восстановления их функций.
Зная параметры автомата защиты конкретной линии, после проведения измерения, можно с уверенностью сказать, сможет ли автомат сработать при коротком замыкании или начнут гореть провода.
Периодичность проведения измерений
Надежная работа электросети и всех бытовых приборов возможна только в том случае, если все параметры соответствуют нормам. Для обеспечения нужных характеристик требуется периодическая проверка петли фазы-ноль. Замеры проводятся в следующих ситуациях:
- После ввода оборудования в эксплуатацию, ремонтных работ, модернизации или профилактики сети.
- При требовании со стороны обслуживающих компаний.
- По запросу потребителя электроэнергии.
Справка! Периодичность проверки в агрессивных условиях — не менее одного раза в 2 года.
Основной задачей измерений является защита электрооборудования, а также линий электропередач от больших нагрузок. В результате роста сопротивления кабель начинает сильно нагреваться, что приводит к перегреву, срабатыванию автоматов и пожарам. На величину влияет множество факторов, включая агрессивность среды, температура, влажность и т.д.
Какие приборы используют?
Для измерения параметров фазы используют специальные поверенные устройства. Аппараты отличаются методиками замеров, а также конструктивными особенностями. Наибольшей популярностью среди электриков пользуются следующие измерительные приборы:
- М-417. Проверенное опытом и временем устройство, предназначенное для измерения сопротивления без отключения источника питания. Из особенностей выделяют простоту использования, габариты и цифровую индикацию. Прибор применяют в любых сетях переменного тока напряжением 380В и допустимыми отклонениями 10%. М-417 автоматически размыкает цепь на интервал до 0,3 секунды для проведения замеров.
- MZC-300. Современное оборудование для проверки состояния коммутационных элементов. Методика измерений описаны в ГОСТе 50571.16-99 и заключается в имитации короткого замыкания. Устройство работает в сетях с напряжением 180-250В и фиксирует результат за 0,3 секунды. Для большей надежности работы предусмотрены индикаторы низкого или высокого напряжения, а также защита от перегрева.
- ИФН-200. Устройство с микропроцессорным управлением для измерения сопротивления петли фаза-ноль без отключения питания. Надежный прибор гарантирует точность результата с погрешностью до 3%. Его используют в сетях с напряжением от 30В до 280В. Из дополнительных преимуществ следует выделить измерение тока КЗ, напряжения и угла сдвига фаз. Также прибор ИНФ-200 запоминает результаты 35 последних замеров.
Важно! Точность результатов измерения зависит не только от качества прибора, но и от соблюдения правил выполнения выбранной методики.
Как измеряется сопротивление петли фаза ноль
Измерение характеристик петли зависит от выбранной методики и прибора. Выделяют три основных способа:
- Короткое замыкание. Прибор подключается к рабочей цепи в наиболее отдаленной точке от вводного щита. Для получения нужных показателей устройство производит короткое замыкание и замеряет ток КЗ, время срабатывания автоматов. На основе данных автоматически рассчитываются параметры.
- Падение напряжения. Для подобного способа необходимо отключить нагрузку сети и подключить эталонное сопротивление. Испытание проводят с помощью прибора, который обрабатывает полученные результаты. Метод считается одним из наиболее безопасных.
- Метод амперметра-вольтметра. Достаточно сложный вариант, который проводят при снятом напряжении, а также используют понижающий трансформатор. Замыкая фазный провод на электроустановку, измеряют параметры и делают расчеты характеристик по формулам.
Все об петли фаза-ноль
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Как измерить сопротивление петли фаза-ноль?
Периодичность и назначение замеров
Для надежной работы электросети необходимо периодически проводить проверку силового кабеля и оборудования. Перед сдачей объекта в эксплуатацию, после капитального и текущего ремонта электросетей, после проведения пуско-наладочных работ, а также по графику, установленном руководителем предприятия проводят эти испытания. Измерения делают по следующим основным параметрам:
- сопротивление изоляции;
- сопротивление петли фаза-ноль;
- параметры заземления;
- параметры автоматических выключателей.
Основной задачей измерения параметра петли фаза-ноль является защита электрооборудования и кабелей от перегрузок, возникающих в процессе эксплуатации. Повышенное сопротивление может привести к перегреву линии, и как следствие, к пожару. Большое влияние на качество кабеля, воздушной линии оказывает окружающая среда. Температура, влажность, агрессивная среда, время суток – все это оказывает влияние на состояние сети.
В цепь для проведения замеров включают контакты автоматической защиты, рубильники, контакторы, а также проводники подачи напряжения к электроустановкам. Этими проводниками могут быть силовые кабели, подающие фазу и ноль, или воздушные линии, выполняющие эту же функцию. При наличии защитного заземления — фазный проводник и провод заземления. Такая цепь имеет определенное сопротивление.
Полное сопротивление петли фаза-ноль можно рассчитать с помощью формул, которые будут учитывать сечение проводников, их материал, протяженность линии, хотя точность расчетов будет небольшой. Более точный результат можно получить, измерив физическую цепь с имеющимися устройствами.
В случае использование в сети устройства защитного отключения (УЗО), его при измерении необходимо отключить. Параметры УЗО рассчитаны так, что при прохождении больших токов оно произведет отключение сети, что не даст достоверных результатов.
Обзор методик
Существуют разные методики для проверки петли фаза-ноль, а также разнообразные специальные измерительные приборы. Что касается методов измерения, основными считаются:
- Метод падения напряжения. Замеры проводят при отключенной нагрузке, после чего подключают нагрузочное сопротивление известной величины. Работы выполняются с использованием специального устройства. Результат обрабатывают и с помощью расчетов делают сравнение с нормативными данными.
- Метод короткого замыкания цепи. В этом случае проводят подключение прибора к цепи и искусственно создают короткое замыкание в дальней точке потребления. С помощью прибора определяют ток короткого замыкания и время срабатывания защит, после чего делают вывод о соответствии нормам данной сети.
- Метод амперметра-вольтметра. Снимают питающее напряжение после чего, используя понижающий трансформатор на переменном токе, замыкают фазный провод на корпус действующей электроустановки. Полученные данные обрабатывают и с помощью формул определяют нужный параметр.
Основной методикой такого испытания стало измерение падения напряжения при подключении нагрузочного сопротивления. Этот метод стал основным, ввиду его простоты использования и возможности дальнейших расчетов, которые нужно провести для получения дальнейших результатов. При измерении петли фаза-ноль в пределах одного здания, нагрузочное сопротивление включают на самом дальнем участке цепи, максимально удаленном от места подачи питания. Подключение приборов проводят к хорошо очищенным контактам, что нужно для достоверности замеров.
Сначала проводят измерение напряжения без нагрузки, после подключения амперметра с нагрузкой замеры повторяют. По полученным данным делают расчет сопротивления цепи фаза-ноль. Используя готовое, предназначенное для такой работы устройство, можно сразу по шкале получить нужное сопротивление.
После проведения измерения составляют протокол, в который заносят все нужные величины. Протокол должен быть стандартной формы. В него также вносят данные об измерительных приборах, которые были использованы. В конце протокола подводят итог о соответствии (несоответствии) данного участка нормативно-технической документации. Образец заполнения протокола выглядит следующим образом:
Какие приборы используют?
Для ускорения процесса измерения петли промышленность выпускает разнообразные измерительные приборы, которые можно использовать для замеров параметров сети по различным методикам. Наибольшую популярность набрали следующие модели:
- М-417. Проверенный годами и надежный прибор для измерения сопротивления цепи фаза-ноль без снятия питания. Используют для замеров параметра методом падения напряжения. При использовании этого устройства можно провести испытание цепи с напряжением 380 В с глухозаземленной нейтралью. Он обеспечит размыкание измерительной цепи за 0,3 с. Недостатком является необходимость калибровки перед началом работы.
- MZC-300. Устройство нового поколения, построенное на базе микропроцессора. Использует метод измерения падения напряжения при подключении известного сопротивления (10 Ом). Напряжение 180-250 В, время замера 0,03 с. Подключают прибор к сети в дальней точке, нажимают кнопку старт. Результат выводится на цифровой дисплей, рассчитанный с помощью процессора.
- Измеритель ИФН-200. Выполняет много функций, в том числе, и измерение петли фаза-ноль. Напряжение 180-250 В. Для подключения к сети есть соответствующие разъемы. Готов к работе через 10 с. Подключаемое сопротивление 10 Ом. При сопротивлении цепи более 1 кОм измерение проводиться не будут – сработает защита. Энергонезависимая память сохраняет 35 последних вычислений.
О том, как измерить сопротивление петли фаза-ноль с помощью приборов, вы можете узнать, просмотрев данные видео примеры:
Для использования вышеперечисленных методик необходимо привлекать только обученный персонал. Неправильное проведение замеров может привести к неверным конечным данным или к выходу из строя существующей системы электроснабжения. Хуже всего – это может привести к травмированию работников. Надеемся, теперь вы знаете, для чего нужно измерение петли фаза-ноль, а также какие методики и приборы для этого можно использовать.
Рекомендуем также прочитать:
{SOURCE}
Надежность электрической сети напрямую зависит от правильности срабатывания защитных устройств. Петля фаза ноль позволяет проверить их работоспособность в сети до 1 кВ с глухо-заземленной нейтралью. Поэтапно разберемся, что представляет собой схема «Ф-Н», а также нюансы ее проверки.
Блок: 1/10 | Кол-во символов: 285
Источник: https://220.guru/electroprovodka/provoda-kabeli/petlya-faza-nol.html
Что подразумевается под термином петля фаза-ноль?
Согласно правилам ПУЭ в силовых подстанциях с напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью необходимо регулярно проводить замер сопротивления петли фаза-ноль.
Петля фаза-ноль образуется в том случае, если подключить фазный провод к нулевому или защитному проводнику. В результате создается контур с собственным сопротивлением, по которому перемещается электрический ток. На практике количество элементов в петле может быть значительно больше и включать защитные автоматы, клеммы и другие связующие устройства. При необходимости, можно провести расчет сопротивления вручную, но у метода есть несколько недостатков:
- сложно учесть параметры всех коммутационных элементов, в том числе выключателей, автоматов, рубильников, которые могли измениться за время эксплуатации сети;
- невозможно рассчитать влияние аварийной ситуации на сопротивление.
Наиболее надежным способом считается замер значения с помощью поверенного аппарата, который учитывает все погрешности и показывает правильный результат. Но перед началом измерения необходимо совершить подготовительную работу.
Блок: 2/5 | Кол-во символов: 1114
Источник: https://odinelectric.ru/elektrosnabzhenie/chto-takoe-petlya-faza-nol
Определение понятия
Измеритель сопротивления петли фаза-ноль
Любое подключенное к электросети оборудование оснащается защитным заземляющим контуром. Это приспособление обустраивается в виде сборной металлической конструкции, располагающейся либо рядом с контролируемым объектом, либо на трансформаторной подстанции. В случае аварийной ситуации (при повреждении изоляции проводов, например) фазное напряжение попадает на заземленный корпус, а затем стекает в землю.
Для надежного растекания в грунт опасного потенциала сопротивление цепочки не должно превышать определенной нормы (единиц Ома).
Под петлей фаза ноль понимается проводной контур, образуемый при замыкании фазной жилы на токопроводящий корпус подключенного к сети оборудования. Фактически он образуется между фазой и заземленной нейтралью (нулем), что и явилось причиной такого названия. Знать его сопротивление необходимо для того, чтобы контролировать состояние цепей защитного заземления, обеспечивающих стекание аварийного тока в грунт. От состояния этого контура зависит безопасность человека, пользующегося оборудованием и бытовыми приборами.
Блок: 2/6 | Кол-во символов: 1115
Источник: https://StrojDvor.ru/elektrosnabzhenie/petla-faza-nol/
Необходимость в измерениях
Замер сопротивления петли проводится в следующих случаях:
- При вводе в эксплуатацию, после ремонта, модернизации или переоборудовании установок.
- Требование со стороны служб различных служб контроля, например Облэнерго, Ростехнадзор и т.д.
- По заявлению потребителя.
В ходе электрических замеров устанавливаются определенные параметры петли Ф-Н, а именно:
- Общее сопротивление цепи, которое включает в себя:
электросопротивление трансформатора на подстанции;
аналогичный параметр линейного проводника и рабочего нуля;
образующиеся в коммутационном оборудовании многочисленные переходные сопротивления, например в защитных устройствах (АВ, УЗО, диффавтоматах), пускателях, ручных коммутаторах и т.д. Также влияние оказывает сечение проводников, изоляция кабелей, заземление нейтрали трансформатора, параметры УЗО или другой защиты электроустановок.
- Ток КЗ (IКЗ). В принципе, его можно рассчитать, используя формулу: IКЗ = UН /ZП , где UН – номинальный уровень напряжения в электросети, а ZП – общее сопротивление петли. Учитывая, что защитные устройства при КЗ должны автоматически отключать питание согласно установленным временным нормам, то необходимо выполнение следующего условия: ZП*IAB <= UН . В данном случае IAB ток, при котором срабатывает АВ или другое устройство защиты, его величина должна уступать IКЗ.
Перед описанием детальных методик измерений, необходимо кратко описать прибор, который будет использоваться в процессе — MZC-300. Мы остановили свой выбор на этом устройстве, поскольку оно чаще всего применяется измерительными лабораториями.
Блок: 3/7 | Кол-во символов: 1585
Источник: https://www.asutpp.ru/kak-izmerit-soprotivlenie-petli-faza-nol.html
Для чего проверяют сопротивление петли фаза-ноль
Проверка необходима для профилактических целей, а также обеспечения корректной работы защитных устройств, включая автоматические выключатели, УЗО и диффавтоматы. Результатом измерения петли фаза-ноль является практическое нахождение сопротивления силовой линии до автомата. На основе этого рассчитывается ток короткого замыкания (напряжение сети делим на это сопротивление). После чего делаем вывод: сможет ли автомат, защищающий данную линию отключиться при КЗ.
Например, если на линии установлен автомат C16, то максимальный ток КЗ может быть до 160 А, после чего он расцепит линию. Допустим в результате измерения получим значение сопротивления петли фазы-ноль равным 0,7 Ом в сети 220 В, то есть ток равен 220 / 0,7 = 314 А. Этот ток больше 160 А, поэтому автомат отключится раньше, чем начнут гореть провода и поэтому считаем, что данная линия соответствует норме.
Важно! Большое сопротивление является причиной ложного срабатывания защиты, нагрева кабелей и пожара.
Причина может заключаться во внешних факторах, на которые сложно повлиять, а также в несоответствии номинала защиты действующим параметрам. Но в большинстве случаев, дело во внутренних проблемах. Наиболее распространенные причины ошибочного срабатывания автоматов:
- неплотный контакт на клеммах;
- несоответствие тока характеристикам провода;
- уменьшение сопротивления провода из-за устаревания.
Использование измерений позволяет получить подробные данные про параметры сети, включая переходные сопротивления, а также влияние элементов контура на его работоспособность. Другими словами, петля фаза-ноль используется для профилактики защитных устройств и корректного восстановления их функций.
Зная параметры автомата защиты конкретной линии, после проведения измерения, можно с уверенностью сказать, сможет ли автомат сработать при коротком замыкании или начнут гореть провода.
Периодичность проведения измерений
Надежная работа электросети и всех бытовых приборов возможна только в том случае, если все параметры соответствуют нормам. Для обеспечения нужных характеристик требуется периодическая проверка петли фазы-ноль. Замеры проводятся в следующих ситуациях:
- После ввода оборудования в эксплуатацию, ремонтных работ, модернизации или профилактики сети.
- При требовании со стороны обслуживающих компаний.
- По запросу потребителя электроэнергии.
Справка! Периодичность проверки в агрессивных условиях — не менее одного раза в 2 года.
Основной задачей измерений является защита электрооборудования, а также линий электропередач от больших нагрузок. В результате роста сопротивления кабель начинает сильно нагреваться, что приводит к перегреву, срабатыванию автоматов и пожарам. На величину влияет множество факторов, включая агрессивность среды, температура, влажность и т.д.
Блок: 3/5 | Кол-во символов: 2776
Источник: https://odinelectric.ru/elektrosnabzhenie/chto-takoe-petlya-faza-nol
Какие приборы используют?
Для измерения параметров фазы используют специальные поверенные устройства. Аппараты отличаются методиками замеров, а также конструктивными особенностями. Наибольшей популярностью среди электриков пользуются следующие измерительные приборы:
- М-417. Проверенное опытом и временем устройство, предназначенное для измерения сопротивления без отключения источника питания. Из особенностей выделяют простоту использования, габариты и цифровую индикацию. Прибор применяют в любых сетях переменного тока напряжением 380В и допустимыми отклонениями 10%. М-417 автоматически размыкает цепь на интервал до 0,3 секунды для проведения замеров.
- MZC-300. Современное оборудование для проверки состояния коммутационных элементов. Методика измерений описаны в ГОСТе 50571.16-99 и заключается в имитации короткого замыкания. Устройство работает в сетях с напряжением 180-250В и фиксирует результат за 0,3 секунды. Для большей надежности работы предусмотрены индикаторы низкого или высокого напряжения, а также защита от перегрева.
- ИФН-200. Устройство с микропроцессорным управлением для измерения сопротивления петли фаза-ноль без отключения питания. Надежный прибор гарантирует точность результата с погрешностью до 3%. Его используют в сетях с напряжением от 30В до 280В. Из дополнительных преимуществ следует выделить измерение тока КЗ, напряжения и угла сдвига фаз. Также прибор ИНФ-200 запоминает результаты 35 последних замеров.
Важно! Точность результатов измерения зависит не только от качества прибора, но и от соблюдения правил выполнения выбранной методики.
Блок: 4/5 | Кол-во символов: 1571
Источник: https://odinelectric.ru/elektrosnabzhenie/chto-takoe-petlya-faza-nol
Расчеты по таблицам
Полное значение искомой величины зависит от следующих факторов:
- Параметры трансформатора силовой подстанции.
- Выбранные при проектировании электрической сети сечения фазных и нулевых жил.
- Сопротивление переходных соединений, всегда имеющихся в любой цепи.
Проводимость используемых проводов может задаваться еще на стадии проектирования энергосистемы, что при условии правильного ее выбора позволит избежать многих неприятностей.
Согласно ПУЭ этот показатель должен соответствовать хотя бы половине аналогичного значения для фазных проводников. По необходимости ее допускается увеличивать до той же величины. В требованиях главы 1.7 ПУЭ оговариваются эти значения, а ознакомиться с ними можно в Таблице 1.7.5, приводимой в Приложении Правил. Согласно ей производится выбор наименьшего сечения проводников защиты (в миллиметрах квадратных).
По завершении табличного этапа обсчета петли фаза-ноль переходят к ее проверке путем вычисления тока короткого замыкания по формулам. Его расчетное значение сравнивается затем с практическими результатами, полученными ранее путем непосредственных измерений. При последующем выборе приборов защиты от КЗ (линейных автоматов, в частности) время их срабатывания привязывается к этому параметру.
Блок: 4/6 | Кол-во символов: 1253
Источник: https://StrojDvor.ru/elektrosnabzhenie/petla-faza-nol/
Методы и порядок проверки сопротивления контура «Ф-Н»
Проверка сопротивления петли «фаза нуль» подразумевает замер тока короткого замыкания на конкретном участке электрической цепи. В дальнейшем зафиксированное значение сопоставляется с отключающими уставками автоматов. При этом измерения проводятся либо непосредственно под рабочим напряжением, либо с питанием от постороннего источника. Далее рассмотрим требуемую последовательность действий при проверке сопротивления.
Визуальный контроль
Первоначально понадобится изучить имеющиеся схемы и документацию. В дальнейшем осуществляется визуальный осмотр всех элементов цепи на предмет выявления явных недостатков и повреждений. В процессе выполнения указанных мероприятий рекомендуется проверить качество затяжки контактных соединений. Иначе велика вероятность получения недостоверных измеренных данных.
Осмотр элементов электросети на соответствие схеме
Замер показателей контура «Ф-Н»
В ходе испытаний могут использоваться различные специализированные приборы, которые могут использовать следующие методики измерений:
- Падения напряжения — проводится на обесточенной цепи с дальнейшим подсоединением сопротивления установленной величины. Зафиксированные показания сверяются с допустимыми нормами значениями после проведения расчетов.
- Короткого замыкания — предполагает осуществление испытаний при наличии напряжения. Измерительное устройство формирует искусственное короткое замыкание на конечном участке от ввода питания с дальнейшей фиксацией величины тока и времени отработки защитных элементов.
- Амперметра-Вольтметра — подразумевает применение понижающего трансформатора переменного тока с замыканием фазного провода на защитное заземление электрической цепи. Предварительно выполняется обесточивание питающей сети. Необходимые показания получаются после проведения расчетов.
Вычисления и оформление документации
Заключительным этапом испытания является расчет величины тока короткого замыкания. Он определяется по соотношению:
Iкз = Uф/R, где
Uф — фазное напряжение сети;
R — полное сопротивление цепи.
Вычисленная величина сопоставляется с пределом отключения Iкз защитными аппаратами. Для определения минимальной и максимальной уставки срабатывания понадобится номинальный ток автомата увеличить в определенное количество раз, в зависимости от типа установленного защитного устройства. Ниже приведена требуемая кратность для минимального и максимального тока отключения по отношению к номинальному для конкретных серий автоматов:
- В — 3 и 5;
- С — 5 и 10;
- D и К — 10 и 14.
Итог испытания подводится в специальном протоколе, о содержании которого будет указано далее с предоставлением примера заполнения.
Блок: 5/10 | Кол-во символов: 2665
Источник: https://220.guru/electroprovodka/provoda-kabeli/petlya-faza-nol.html
Подготовительный этап
Практически все методы измерений цепи «фаза-ноль» не позволяют получить точную информацию о таких характеристиках, как ZП и IКЗ. Это связано с тем, что векторная природа напряжения не принимается во внимание. Проще говоря, учитываются упрощенные условия при коротком замыкании. В процессе испытания электроустановок такая приближенность допускается только в тех случаях, когда уровень реактивного сопротивления не имеет существенного влияния.
Перед тем, как приступить к измерению характеристик петли «Ф-Н», предварительно следует провести ряд предварительных испытаний. В частности, проверить непрерывность и уровень сопротивления защитных линий. После этого измерить сопротивление между контуром заземления и основными металлическими элементами конструкции здания.
Блок: 5/7 | Кол-во символов: 789
Источник: https://www.asutpp.ru/kak-izmerit-soprotivlenie-petli-faza-nol.html
В каких случаях проводят измерения
Замер сопротивления участка цепи фаза-ноль обязательно организуется в следующих ситуациях:
- при вводе в постоянную эксплуатацию новых, еще не работающих силовых электроустановок;
- когда со стороны контролирующих энергетических служб поступило указание на их проведение;
- согласно заявке предприятий и организаций, подключенных к обслуживаемой электрической сети.
При вводе энергетической системы в эксплуатацию тестовые замеры сопротивления петли является частью комплекса мероприятий, проводимых с целью проверки ее рабочих характеристик. Второй случай связан с аварийными ситуациями, нередко случающимися при эксплуатации силовых цепей. Заявка от тех или иных потребителей, представленных предприятием или организацией, может поступить при неудовлетворительной защите оборудования (по жалобам конкретных пользователей, например).
Блок: 5/6 | Кол-во символов: 868
Источник: https://StrojDvor.ru/elektrosnabzhenie/petla-faza-nol/
Примеры проведения вычислений
В качестве примеров таких измерений рассматриваются два способа.
Эффект от падения напряжения на контролируемом участке силовой цепи
При описании этого способа важно обратить внимание на трудности его практической реализации. Это объясняется тем, что для получения конечного результата потребуется несколько этапов. Сначала придется измерить параметры сети в двух режимах: с отключенной и подключенной нагрузкой. В каждом из этих случаев сопротивление измеряется путем снятия показаний по току и напряжению. Далее оно рассчитывается по классическим формулам, вытекающим из закона Ома (Zп=U/I).
В числителе этой формулы U представляет собой разницу двух напряжений – при включенной и при выключенной нагрузке (U1 и U2). Ток учитывается только для первого случая. Для получения корректных результатов разница между U1 и U2 должна быть достаточно большой.
Полное сопротивление учитывает импеданс катушки трансформатора (он суммируется с полученным результатом).
Применение независимого источника электрического питания
Данный подход предполагает определение интересующего специалистов параметра с помощью независимого источника питающего напряжения. При его проведении потребуется учесть следующие важные моменты:
- В процессе измерений первичная обмотка питающего станционного трансформатора замыкается накоротко.
- С независимого источника напряжение питания подается непосредственно в зону КЗ.
- Сопротивление фаза-ноль рассчитывается по уже знакомой формуле Zп=U/I, где: Zп – это значение искомого параметра в Омах, U – измеренное испытательное напряжение в Вольтах, I – величина измерительного тока в Амперах.
Все рассмотренные методы не претендуют на абсолютную точность полученных по их итогам результатов. Они дают лишь приблизительную оценку величины полного сопротивления петли фаза-ноль. Такой ее характер объясняется невозможностью в рамках предложенных методик измерять индуктивные и емкостные потери, которые всегда присутствуют в силовых цепях с распределенными параметрами. При необходимости учета векторной природы измеряемых величин (фазовых сдвигов, в частности) придется вводить специальные поправки.
В реальных условиях эксплуатации мощных потребителей величины распределенных реактивных сопротивлений настолько незначительны, что в определенных условиях они не учитываются.
Блок: 6/6 | Кол-во символов: 2317
Источник: https://StrojDvor.ru/elektrosnabzhenie/petla-faza-nol/
Краткое описание MZC-300
Рассмотрим внешний вид и основные элементы измерителя MZC-300.
Расположение основных элементов прибора MZC-300
Обозначения:
- Информационный дисплей. Полное описание его полей можно найти в руководстве по эксплуатации.
- Кнопка «Старт». Запускает следующие процессы измерений:
- ZП, напомним, это общее сопротивление цепи Ф-Н.
- IКЗ – ожидаемый ток КЗ.
- Активного сопротивления, необходимо для калибровки прибора.
Старт каждого измерения сопровождается характерным звуковым сигналом.
- Кнопка «SEL». Служит для последовательного вывода на информационный дисплей всех характеристик петли, полученных в результате последнего замера. В частности отображается следующая информация:
- Параметры ZП.
- Ожидаемый IКЗ.
- Уровень активного и реактивного сопротивления (R и Х).
- Фазный угол ϕ.
- Кнопка «Z/I». По окончании испытаний переключает на дисплее отображение характеристик между ожидаемым IКЗ и ZП.
- Кнопка отключения/включения измерительного устройства. Если при запуске прибора одновременно с данной кнопкой нажать «SEL», то измеритель перейдет в режим автокалибровки. Его подробное описание можно найти в руководстве пользования.
- Разъем для подключения щупа, контактирующего с рабочим нулем, проводником РЕ или, PEN. Соответствующее обозначение нанесено на корпус прибора.
- Разъем щупа, подключаемого к одному из фазных проводов. Как правило, помечен литерой «L».
- Как и разъем i, в отличии от гнезд для измерительных проводов, используется только в режиме автоматической калибровки. На корпусе прибора обозначаются как «К1» и «К2».
Блок: 4/7 | Кол-во символов: 1536
Источник: https://www.asutpp.ru/kak-izmerit-soprotivlenie-petli-faza-nol.html
Подведение итогов и опасности от проведения неправильного измерения
По полученной в результате измерений информации делается заключение о возможности дальнейшей эксплуатации сети. При выявлении несоответствия отключающих уставок защитных аппаратов зафиксированному Iкз, выносится решение о необходимости их замены. В противном случае велика вероятность образования пожара и разрушения электрооборудования под воздействием Iкз.
Блок: 7/10 | Кол-во символов: 428
Источник: https://220.guru/electroprovodka/provoda-kabeli/petlya-faza-nol.html
Протокол по проведенным замерам контура «фаза нуль»
На основании произведенных измерений оформляется специальный протокол. Он используется для хранения зафиксированных показаний, а также для осуществления сравнительного анализа с последующими тестами.
В протоколе отображается следующая информация:
- дата проведения;
- номер протокола;
- цель проведения тестирования;
- данные об организации, проводящей испытания;
- информация о заказчике;
- действующие климатические условия: атмосферное давление, температура и влажность воздуха;
- диапазон измерения, класс точности и вид расцепителя;
- измеритель, используемый для тестирования;
- зафиксированные показания;
- итог испытаний;
- должности, фамилии и подписи лиц, проводивших замеры и проверивших протокол.
Обратите внимание! В случае положительного итога цепь допускается к эксплуатации без ограничений. При выявлении недостатков составляется перечень требуемых действий для восстановления необходимых показателей.
Блок: 8/10 | Кол-во символов: 950
Источник: https://220.guru/electroprovodka/provoda-kabeli/petlya-faza-nol.html
Количество использованных доноров: 4
Информация по каждому донору:
- https://odinelectric.ru/elektrosnabzhenie/chto-takoe-petlya-faza-nol: использовано 3 блоков из 5, кол-во символов 5461 (28%)
- https://220.guru/electroprovodka/provoda-kabeli/petlya-faza-nol.html: использовано 4 блоков из 10, кол-во символов 4328 (22%)
- https://www.asutpp.ru/kak-izmerit-soprotivlenie-petli-faza-nol.html: использовано 3 блоков из 7, кол-во символов 3910 (20%)
- https://StrojDvor.ru/elektrosnabzhenie/petla-faza-nol/: использовано 4 блоков из 6, кол-во символов 5553 (29%)
Петля фаза ноль расчет — Всё о электрике
Петля фаза ноль расчет
Проверка согласования параметров цепи «ФАЗА-НУЛЬ»
с характеристиками защитных аппаратов
Определение «петли ФАЗА-НУЛЬ
Петлёй «ФАЗА-НУЛЬ» принято называть цепь, состоящую из фазы трансформатора и проводников – нулевого и фазного.
Цель проведения испытаний
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.
Теория
• Полное сопротивление цепи «ФАЗА-НУЛЬ» достаточно точно можно рассчитать по следующей формуле:
Zфо=Zn+Zт/3
где: Zфо – полное сопротивление цепи «ФАЗА-НУЛЬ»; Zn – полное сопротивление цепи фазного и нулевого проводника; Zт – полное сопротивление трансформатора.
Полное сопротивление «складывается» из активного и реактивного сопротивлений.
• Ток короткого замыкания отражается в следующей зависимости:
Iкз=Uo/Zфо
где: Iкз – ток короткого замыкания; Uо – фазное напряжение.
• Для расчета ожидаемого тока короткого замыкания принята формула:
Iкз=Uo•0,85/(Zn+Zт/3)
• Должны удовлетворяться требования:
Iкз>Iра•Kg
где: Iра – номинальный ток срабатывания расцепителя автомата; Kg – коэффициент допустимой кратности тока короткого замыкания к номинальному току срабатывания расцепителя.
Zpe•Uo/Zфо≤Uснн
где: Zpe – полное сопротивление защитного проводника между главной заземляющей шиной и корпусом распределительного устройства; Uснн – сверхнизкое напряжение (напряжение прикосновения), обычно принимается равным 50В (п. 1.7.79 и 1.7.104 ПУЭ).
Iра>Iн
где: Iн – номинальный ток нагрузки.
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.
Пример схемы измерения петли “ФАЗА-НУЛЬ” без снятия напряжения:
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.
Расчет 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.
Дополнение
Иногда необходимо произвести измерение или сделать расчёт петли “ФАЗА – РАБОЧИЙ НУЛЬ” или “ФАЗА – ФАЗА”. Методики подобны описанным выше, за исключением замены защитного проводника рабочим или фазным.
Расчет токов однофазного кз в сети 0,4 кВ
В данной статье речь пойдет об определении величины тока однофазного тока к.з. в сетях 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью.
Данный вопрос очень актуален, так как электрические сети 0,4 кВ, являются наиболее распространёнными.
В настоящее время существует два метода расчета однофазного КЗ – точный и приближенный и оба метода основаны на методе симметричных составляющих.
1. Точный метод определения тока однофазного КЗ
1.1 Точный метод определения тока однофазного КЗ, представлен в ГОСТ 28249-93 формула 24, и рассчитывается по формуле:
Используя данный метод можно с большой степенью точности определять токи КЗ при известных сопротивлениях прямой, обратной и нулевой последовательности цепи фаза-нуль.
К сожалению, на практике данный метод не всегда возможно использовать, из-за отсутствия справочных данных на сопротивления прямой, обратной и нулевой последовательности для кабелей с алюминиевыми и медными жилами с учетом способов прокладки фазных и нулевых проводников.
2. Приближенный метод определения тока однофазного КЗ
2.1 Приближенный метод определения тока однофазного кз при большой мощности питающей энергосистемы (Хс
где:
- Uф – фазное напряжение сети, В;
- Zт – полное сопротивление трансформатора току однофазного замыкания на корпус, Ом;
- Zпт – полное сопротивление петли фаза-нуль от трансформатора до точки КЗ, Ом.
2.2 Если же питающая энергосистема имеет ограниченную мощность, то тогда ток однофазного кз определяется по формуле 2-26 [ Л3, с 39]:
2.3 Значение Z∑ определяется по таблице 2.9 или можно определить по формуле 2-25 [ Л3, с 39]:
где:
х1т и r1т; х2т и r2т; х0т и r0т — индуктивное и активное сопротивления трансформатора токам прямой, обратной и нулевой последовательности, мОм. Принимаются по таблице 2.4 [Л3, с 29].
Значение Zт/3 для различных трансформаторов с вторичным напряжением 400/230 В, можно принять по таблицам 2, 3, 4 [Л1, с 6,7].
Сопротивления контактов шин, аппаратов, трансформаторов тока в данном методе не учитываются, поскольку арифметическая сумма Zт/3 и Zпт создает не который запас.
2.4 Полное сопротивление трансформатора Zт, определяется по формуле 2-24 [Л3, с 39]:
2.5 Полное сопротивление петли фаза-нуль, определяется по формуле 2-27 [Л3, с 40]:
где:
- Zпт.уд. – полное удельное сопротивление петли фаза-нуль для каждого участка от трансформатора до места КЗ определяется по таблицам 2.10 – 2.14 [Л3, с 41,42] или по таблицам [Л2], мОм/м;
- l – длина участка, м.
Ниже представлены справочные таблицы со значениями удельного сопротивления петли фаза-нуль для различных кабелей и шинопроводов согласно [Л3, с 41,42].
Справочные таблицы 7, 10 со значениями активных сопротивления медных и алюминиевых проводов, кабелей [Л1, с 6, 14].
Справочные таблицы 11, 12, 13 со значениями полного расчетного сопротивления цепи фаза-нуль для 3(4) — жильных кабелей с различной изоляций и при температуре жилы +65(+80) С [Л1, с 15, 16].
На практике согласно [Л1, с 5] рекомендуется использовать приближенный метод определения тока однофазного КЗ. При таком методе, допустимая погрешность в расчете тока однофазного КЗ при неточных исходных данных в среднем равна – 10% в сторону запаса; 18-20% — при схеме соединения трансформатора Y/Y0, когда преобладает активная нагрузка и для зануления используется 4-я жила либо оболочка кабеля; 10-12% — при использовании стальных труб для зануления электропроводки.
Из выше изложенного, следует, что при использовании данного метода, создаётся не который запас при расчете, который гарантирует срабатывания защитного аппарата, согласно требованиям ПУЭ.
1. Рекомендации по расчету сопротивления цепи «фаза-нуль». Главэлектромонтаж. 1986 г.
2. ГОСТ 28249-93 – Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ.
3. Беляев А.В. Выбор аппаратуры, защит и кабелей в сети 0,4 кВ. Учебное пособие. 2008 г.
Поделиться в социальных сетях
Если вы нашли ответ на свой вопрос и у вас есть желание отблагодарить автора статьи за его труд, можете воспользоваться платформой для перевода средств «WebMoney Funding» .
Данный проект поддерживается и развивается исключительно на средства от добровольных пожертвований.
Проявив лояльность к сайту, Вы можете перечислить любую сумму денег, тем самым вы поможете улучшить данный сайт, повысить регулярность появления новых интересных статей и оплатить регулярные расходы, такие как: оплата хостинга, доменного имени, SSL-сертификата, зарплата нашим авторам.
В данной статье речь пойдет о расчете токовой отсечки для электродвигателей напряжением выше 1.
Расчет токов самозапуска электродвигателей производиться для выбора тока срабатывания максимальной.
Выбор мощности трансформатора напряжения сводиться к расчету нагрузки для основной и.
В данной статье я хотел бы рассказать о проверке чувствительности для максимальной токовой защиты (МТЗ).
В данном примере рассмотрим расчет уставок защит для ячейки 6 кВ питающей реакторное устройство плавного.
Отправляя сообщение, Вы разрешаете сбор и обработку персональных данных.
Политика конфиденциальности.
Что такое петля фаза-ноль простым языком – методика проведения измерения
Электроприборы должны работать без нареканий, если электрическая цепь соответствует всем нормам и стандартам. Но в линиях электропитания происходят изменения, которые со временем сказываются на технических параметрах сети. В связи с этим необходимо проводить периодическое измерение показателей и профилактику электропитания. Как правило, проверяют работоспособность автоматов, УЗО, а также параметры петли фаза-ноль. Ниже описаны подробности об измерениях, какие приборы использовать и как анализировать полученные результаты.
Что подразумевается под термином петля фаза-ноль?
Согласно правилам ПУЭ в силовых подстанциях с напряжением до 1000В с глухозаземленной нейтралью необходимо регулярно проводить замер сопротивления петли фаза-ноль. Электроэнергия, подаваемая потребителям, поступает с выходных обмоток трехфазного трансформатора, который подключен по схеме звезда. В результате естественного перекоса фаз по цепи нейтрали может протекать ток, поэтому для предотвращения проблемы измеряют фазу-ноль.
Петля фаза-ноль образуется в том случае, если подключить фазный провод к нулевому или защитному проводнику. В результате создается контур с собственным сопротивлением, по которому перемещается электрический ток. На практике количество элементов в петле может быть значительно больше и включать защитные автоматы, клеммы и другие связующие устройства. При необходимости, можно провести расчет сопротивления вручную, но у метода есть несколько недостатков:
- сложно учесть параметры всех коммутационных элементов, в том числе выключателей, автоматов, рубильников, которые могли измениться за время эксплуатации сети;
- невозможно рассчитать влияние аварийной ситуации на сопротивление.
Наиболее надежным способом считается замер значения с помощью поверенного аппарата, который учитывает все погрешности и показывает правильный результат. Но перед началом измерения необходимо совершить подготовительную работу.
Для чего проверяют сопротивление петли фаза-ноль
Проверка необходима для профилактических целей, а также обеспечения корректной работы защитных устройств, включая автоматические выключатели, УЗО и диффавтоматы. К примеру, распространенная проблема, когда в розетку включается чайник или другой электроприбор, а автомат отключает нагрузку.
Важно! Большое сопротивление является причиной ложного срабатывания защиты, нагрева кабелей и пожара.
Причина может заключаться во внешних факторах, на которые сложно повлиять, а также в несоответствии номинала защиты действующим параметрам. Но в большинстве случаев, дело во внутренних проблемах. Наиболее распространенные причины ошибочного срабатывания автоматов:
- неплотный контакт на клеммах;
- несоответствие тока характеристикам провода;
- уменьшение сопротивления провода из-за устаревания.
Использование измерений позволяет получить подробные данные про параметры сети, включая переходные сопротивления, а также влияние элементов контура на его работоспособность. Другими словами, петля фаза-ноль используется для профилактики защитных устройств и корректного восстановления их функций.
Зная параметры автомата защиты конкретной линии, после проведения измерения, можно с уверенностью сказать, сможет ли автомат сработать при коротком замыкании или начнут гореть провода.
Периодичность проведения измерений
Надежная работа электросети и всех бытовых приборов возможна только в том случае, если все параметры соответствуют нормам. Для обеспечения нужных характеристик требуется периодическая проверка петли фазы-ноль. Замеры проводятся в следующих ситуациях:
- После ввода оборудования в эксплуатацию, ремонтных работ, модернизации или профилактики сети.
- При требовании со стороны обслуживающих компаний.
- По запросу потребителя электроэнергии.
Справка! Периодичность проверки в агрессивных условиях — не менее одного раза в 2 года.
Основной задачей измерений является защита электрооборудования, а также линий электропередач от больших нагрузок. В результате роста сопротивления кабель начинает сильно нагреваться, что приводит к перегреву, срабатыванию автоматов и пожарам. На величину влияет множество факторов, включая агрессивность среды, температура, влажность и т.д.
Какие приборы используют?
Для измерения параметров фазы используют специальные поверенные устройства. Аппараты отличаются методиками замеров, а также конструктивными особенностями. Наибольшей популярностью среди электриков пользуются следующие измерительные приборы:
- М-417. Проверенное опытом и временем устройство, предназначенное для измерения сопротивления без отключения источника питания. Из особенностей выделяют простоту использования, габариты и цифровую индикацию. Прибор применяют в любых сетях переменного тока напряжением 380В и допустимыми отклонениями 10%. М-417 автоматически размыкает цепь на интервал до 0,3 секунды для проведения замеров.
- MZC-300. Современное оборудование для проверки состояния коммутационных элементов. Методика измерений описаны в ГОСТе 50571.16-99 и заключается в имитации короткого замыкания. Устройство работает в сетях с напряжением 180-250В и фиксирует результат за 0,3 секунды. Для большей надежности работы предусмотрены индикаторы низкого или высокого напряжения, а также защита от перегрева.
- ИФН-200. Устройство с микропроцессорным управлением для измерения сопротивления петли фаза-ноль без отключения питания. Надежный прибор гарантирует точность результата с погрешностью до 3%. Его используют в сетях с напряжением от 30В до 280В. Из дополнительных преимуществ следует выделить измерение тока КЗ, напряжения и угла сдвига фаз. Также прибор ИНФ-200 запоминает результаты 35 последних замеров.
Важно! Точность результатов измерения зависит не только от качества прибора, но и от соблюдения правил выполнения выбранной методики.
Как измеряется сопротивление петли фаза ноль
Измерение характеристик петли зависит от выбранной методики и прибора. Выделяют три основных способа:
- Короткое замыкание. Прибор подключается к рабочей цепи в наиболее отдаленной точке от вводного щита. Для получения нужных показателей устройство производит короткое замыкание и замеряет ток КЗ, время срабатывания автоматов. На основе данных автоматически рассчитываются параметры.
- Падение напряжения. Для подобного способа необходимо отключить нагрузку сети и подключить эталонное сопротивление. Испытание проводят с помощью прибора, который обрабатывает полученные результаты. Метод считается одним из наиболее безопасных.
- Метод амперметра-вольтметра. Достаточно сложный вариант, который проводят при снятом напряжении, а также используют понижающий трансформатор. Замыкая фазный провод на электроустановку, измеряют параметры и делают расчеты характеристик по формулам.
{SOURCE}
Измерение усиления в контуре [Analog Devices Wiki]
Цель:
Целью этой лабораторной работы является применение метода ввода напряжения с использованием сетевого анализатора ADALM2000 и трансформатора для измерения усиления контура системы с отрицательной обратной связью, такой как ступень усиления инвертирующего операционного усилителя.
Фон:
Отрицательная обратная связь обычно используется в системах управления.На рисунке 1 показана простая система с отрицательной обратной связью.
Рисунок 1 Система отрицательной обратной связи
Выходное напряжение связано с входным напряжением с помощью:
Это передаточная функция с замкнутым контуром. T (S) называется коэффициентом усиления контура, который является произведением всех коэффициентов усиления вокруг контура и в этом случае равен T (S) = G (S) H (S).
С помощью коэффициента усиления контура мы можем применить критерий устойчивости Найквиста для измерения коэффициента усиления и запаса по фазе и определения общей устойчивости системы с замкнутым контуром.
Коэффициент усиления системы может быть получен из математической модели системы. Такие модели часто не учитывают всех паразитических и нежелательных эффектов, которые могут существовать в реальной системе. Может быть очень полезно измерить усиление контура системы отрицательной обратной связи в процессе проектирования.
Измерение Loop Gain
Одним из методов измерения усиления контура в системах с отрицательной обратной связью является метод ввода напряжения. Далее показано, как метод ввода напряжения может применяться на практике и что необходимо учитывать для достижения правильных результатов.
Используя подходящий инжекционный трансформатор (комплект аналоговых деталей ADALP2000 содержит HPh2-1400L), мы можем подать испытательное напряжение в соответствующую точку впрыска в контуре обратной связи системы. Затем отклик петли можно измерить с помощью сетевого анализатора, такого как ADALM2000.
На рисунке 2 показана установка, использующая метод ввода напряжения для измерения коэффициента усиления контура системы обратной связи. Резистор низкого значения вставлен в контур обратной связи в точке впрыска.Вторичная обмотка впрыскивающего трансформатора подключена через резистор впрыска для подачи испытательного напряжения. Это позволяет вводить испытательное напряжение без изменения рабочей точки смещения постоянного тока системы.
Рисунок 2 Метод ввода напряжения
Входы сетевого анализатора подключены к обеим сторонам инжекторного резистора с помощью датчиков напряжения. Коэффициент усиления контура затем измеряется путем измерения комплексного усиления по напряжению от точки A до B.
Где T (S) — измеренное усиление контура, а В Sig и В Ref — напряжения, измеренные сетевым анализатором.
Измеренное усиление контура T (S) приблизительно равно фактическому усилению контура, если выполняются следующие два условия.
Состояние 1
Сопротивление в направлении вокруг петли обратной связи (Z IN (S) блока H (S)) намного больше, чем сопротивление в обратном направлении от точки впрыска (Z OUT (S) блока G (S)) ,
Состояние 2
Второе условие, которое должно быть выполнено, чтобы гарантировать, что измеренное усиление контура приблизительно равно действительному усилению контура:
Из этих условий мы видим, что важно выбрать подходящую точку впрыска, которая удовлетворяет обоим условиям.
Первое условие часто выполняется на выходе операционного усилителя, например, который обычно имеет низкий импеданс. Другие подходящие точки обычно находятся на входах с высоким импедансом, таких как входы ОУ.
Второе условие сложнее проверить. Особенно малые результаты усиления контура, выше частоты кроссовера, должны быть проверены очень тщательно.
Величина напряжения инжекции должна быть как можно ниже, чтобы избежать сильных эффектов сигнала, так как насыщение или другие нелинейности будут влиять на измерение.
Размер инжекционного резистора не влияет напрямую на результат измерения, если он остается относительно небольшим, 50 Ом или меньше — это хорошее число.
Частотная характеристика трансформатора и динамический диапазон сетевого анализатора будут ограничивать измерение усиления контура. В приведенной ниже лабораторной работе вы будете использовать трансформатор HPh2-1400L, который имеет полезную частотную характеристику от 10 кГц до 5 МГц . Для измерения отклика контура на более низких частотах потребуется трансформатор с гораздо большей индуктивностью обмотки.HPh2-1400L или аналогичные широкополосные трансформаторы, такие как T1-6T (мини-схемы) или WB1010 (Coilcraft), должны быть достаточными для наблюдения отклика контура вблизи усиления единицы (0 дБ ) некоторых операционных усилителей, поставляемых в ADALP2000 Аналоговый комплект деталей при подключении в виде инвертирующих каскадов с коэффициентами сопротивления обратной связи (H (S)) или коэффициентом обратной связи от 1/2 до 1/11.
Материалы:
ADALM2000 Active Learning Module
Безпаянный макет и комплект перемычек
Резисторы 2 — 10 Ом
Резистор 1 — 100 Ом
Резисторы 1 — 1 кОм
Резистор 1 — 10 кОм
1 — OP27 операционный усилитель
1 — OP37 op -amp
1 — OP97 op-amp
1 — Трансформатор HPh2-1400L (или трансформаторы, T1-6T от Minicircuits, WB1010 от Coilcraft)
2 — 0.Конденсаторы 1 мкФ (используются для разъединения источников питания Vp и Vn)
Направления:
Создайте настройку измерения, как показано на рисунке 3 ниже. Не забудьте подать питание на операционный усилитель, +5 В на контакт 7 и -5 В на контакт 4 с конденсаторами 0,1 мкФ, используемыми для разъединения источников питания Vp и Vn (не показано на схематической диаграмме для простоты). Если вы используете трансформатор HPh2-1400L для T 1 , вы должны подключить три из 6 последовательно включенных обмоток для первичной обмотки, а остальные три последовательно соединенных обмотки для вторичной обмотки (подробнее см. Это упражнение на трансформаторах).Резистор R 1 установлен на 1 кОм, а R 2 равен 1 кОм или 10 кОм для проверки различных коэффициентов усиления контура с тремя разными операционными усилителями. Делитель напряжения R 4 и R 5 служит двум целям. Сначала 10 Ω R 4 соответствует сопротивлению резистора, вставленного в контур обратной связи, R 3 . AWG в ADALM2000 не может напрямую управлять резистором 10 Ом, поэтому 100 Ом R 5 увеличивает сопротивление нагрузки до значения, достаточно высокого для безопасного управления AWG.Ослабление делителя также позволяет нам установить амплитуду AWG достаточно высокой, чтобы обеспечить низкий уровень шума при одновременном введении небольшого сигнала в контур.
Рисунок 3 Настройка измерения коэффициента усиления контура
Настройка оборудования:
Зеленые квадраты указывают, куда подключить модуль AWG ADALM2000, каналы прицела и источники питания. Обязательно включайте источники питания только после того, как дважды проверите свою проводку.
Откройте окно управления источником питания, чтобы включить и выключить фиксированные источники питания +5 и -5 Вольт.Откройте прибор Network Analyzer и настройте развертку на 10 кГц и остановите на 5 МГц . Максимальное усиление должно быть установлено на 1X. Установите амплитуду на 3 В от пика до пика, а смещение на ноль вольт. Под шкалой Боде установите верхнюю величину 40 дБ и диапазон 80 дБ . Установите верхнюю часть фазы на 180º и диапазон на 360º. В области каналов нажмите на ссылку «Использовать канал 1». Установите количество шагов до 500.
Рисунок 4. Схема измерения коэффициента усиления контура
Процедура:
Начните с использования усилителя OP97 с низкой пропускной способностью из комплекта деталей ADALP2000 для ваших первых измерений.Оба значения R 1 и R 2 равны 1 КОм. Включите источники питания и выполните один цикл. Обратите внимание на частоту, на которой усиление контура равно единице (0 дБ ), и фазу на этой частоте. Обязательно экспортируйте данные развертки в файл .csv для дальнейшего анализа в Excel или Matlab.
Пример сюжета представлен на рисунке 5.
Рисунок 5. График измерения коэффициента усиления контура
Затем замените усилитель OP97 усилителем OP27 с большей полосой пропускания из комплекта запасных частей.Обязательно отключите источники питания, прежде чем снимать операционный усилитель с вашей цепи. Включите источники питания и выполните один цикл. Обратите внимание на новую частоту, где усиление контура равно единице (0 дБ ), и фазу на этой частоте и сравните ее с измеренным результатом для OP97. Обязательно экспортируйте данные развертки в файл .csv для дальнейшего анализа в Excel или Matlab. Теперь замените R 2 резистором 10 кОм. Запустите один раз. Обратите внимание на новую частоту, где усиление контура равно единице (0 дБ ), и фазу на этой частоте и сравните ее с измеренным результатом для OP27 с R 2 , равным 1 кОм.
Затем замените усилитель OP27 усилителем OP37 из комплекта запасных частей. Обязательно отключите источники питания, прежде чем снимать операционный усилитель с вашей цепи. Включите источники питания и выполните один цикл. Обратите внимание на новую частоту, где усиление контура равно единице (0 дБ ), и фазу на этой частоте и сравните ее с измеренным результатом для OP27 с R 2 , равным 10 кОм. Обязательно экспортируйте данные развертки в файл .csv для дальнейшего анализа в Excel или Matlab.
Вопросы:
университет / курсы / электроника / electronics-lab-loop-gain.txt · Последнее изменение: 25 июня 2020 22:07 (внешнее редактирование)
.% PDF-1.4 % 779 0 объектов > endobj Xref 779 97 0000000016 00000 n 0000003304 00000 n 0000003651 00000 n 0000003840 00000 n 0000004776 00000 n 0000004826 00000 n 0000004876 00000 n 0000004926 00000 n 0000004975 00000 n 0000005024 00000 n 0000005074 00000 n 0000005123 00000 n 0000005172 00000 n 0000005220 00000 n 0000005270 00000 n 0000005320 00000 n 0000005370 00000 n 0000005420 00000 n 0000005469 00000 n 0000005517 00000 n 0000005566 00000 n 0000005615 00000 n 0000005664 00000 n 0000005713 00000 n 0000005763 00000 n 0000005813 00000 n 0000005858 00000 n 0000005972 00000 n 0000006807 00000 n 0000007036 00000 n 0000007286 00000 n 0000007990 00000 n 0000008443 00000 n 0000008712 00000 n 0000009178 00000 n 0000009972 00000 n 0000010988 00000 n 0000011712 00000 n 0000011952 00000 n 0000012397 00000 n 0000013234 00000 n 0000013491 00000 n 0000013924 00000 n 0000014749 00000 n 0000015219 00000 n 0000015442 00000 n 0000015576 00000 n 0000015882 00000 n 0000016702 00000 n 0000017689 00000 n 0000058047 00000 n 0000062333 00000 n 0000062565 00000 n 0000062788 00000 n 0000062888 00000 n 0000063213 00000 n 0000063289 00000 n 0000063505 00000 n 0000064059 00000 n 0000064893 00000 n 0000065747 00000 n 0000069124 00000 n 0000069978 00000 n 0000074473 00000 n 0000075300 00000 n 0000077529 00000 n 0000077617 00000 n 0000077927 00000 n 0000078006 00000 n 0000078311 00000 n 0000078598 00000 n 0000079067 00000 n 0000079411 00000 n 0000079967 00000 n 0000080055 00000 n 0000080293 00000 n 0000081102 00000 n 0000082904 00000 n 0000083758 00000 n 0000088608 00000 n 0000089438 00000 n 0000091820 00000 n 0000092248 00000 n 0000092929 00000 n 0000093053 00000 n 0000093395 00000 n 0000093483 00000 n 0000093794 00000 n 0000093958 00000 n 0000094325 00000 n 0000094876 00000 n 0000095798 00000 n 0000096514 00000 n 0000097758 00000 n 0000098078 00000 n 0000003110 00000 n 0000002281 00000 n прицеп ] >> startxref 0 %% EOF 875 0 объектов > поток х ڌ TYOQ> Wl) H% JAR! /./ * q-ȎB «nPe} x% LFg * 1 = ;; w
.1. Введение
Появление лазерных импульсов с небольшим циклом вызвало огромный интерес к нелинейным явлениям, таким как сверхпороговая ионизация [1 ~ 3], генерация высокой гармоники [4, 5] и изолированная генерация аттосекундной длительности [6 ~ 13] и т. д. Современные лазерные генераторы с небольшим циклом, такие как Ti: сапфировые лазеры с синхронизацией мод с керровской линзой, поступали непосредственно от генератора. оптические импульсы с длительностью 5 фс [14,15], что соответствует менее чем двум оптическим циклам в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн.При такой короткой длительности импульса пиковая напряженность электрического поля лазера сильно зависит от относительной фазы между носителем и огибающей импульса. Эта относительная фаза является фазой несущей-оболочки (CEP). CEP происходит в ультракоротких импульсах, для более длинных импульсов, как правило, он не игнорируется из-за незначительной роли. Тем не менее, CEP станет важным для взаимодействия лазерного вещества для малоцикловых импульсов. Очевидно, что КЭП играет важную роль в указанных выше физических процессах, особенно в схемах аттосекундной генерации, таких как взаимодействие инертных газов и малоцикловых интенсивных импульсов [6, 7] и когерентный синтез Фурье среди ультракоротких лазеров с различными Длина волны [16,17], управление КЭП всегда является важной предпосылкой.
Фактически, CEP от импульса к импульсу в последовательности импульсов, излучаемой фемтосекундным лазером с синхронизацией мод, отличается из-за дисперсии. Групповая и фазовая скорость будут различаться, и поэтому CEP будет быстро развиваться при распространении через материалы внутри полости, такие как Ti: сапфировое стекло, покрытие зеркал, призмы и т. Д. Изменение CEP между импульсами является смещением фазы огибающей несущей (CEO ). До настоящего времени было разработано несколько методов для измерения и управления генератором последовательности фемтосекундных лазерных импульсов в частотной области [18 ~ 26].В этой главе мы представим две схемы измерения частоты генераторов импульсов в фемтосекундном Ti: сапфировом лазере. Первым и наиболее широко используемым методом является метод самоссылки, также называемый методом — — 2 — [19 ~ 21]. Он предназначен для измерения частоты биений помех между высокой частотой и удвоенной по частоте низкочастотной спектральной составляющей октавного спектра. Как правило, фотонно-кристаллическое волокно (PCF) [27 ~ 31] используется для расширения спектра лазера до ширины полосы, охватывающей октаву, в такой схеме измерения частоты генерального директора f -to-2 f .Хотя PCF имеет преимущество, заключающееся в высоком нелинейном коэффициенте, легко генерировать спектр суперконтинуума за счет эффекта самофазной модуляции (SPM) и эффекта частоты четырехволнового смешения, малый диаметр сердечника (1 ~ 2 мкм) и большие потери (> 70%) могут вызывать значительные флуктуации спектра в случае крошечного возмущения, а также ограничивают полезную максимальную выходную мощность. Затем мы применили новую методику измерения, основанную на генерации разностной частоты (DFG) в нелинейном кристалле [22 ~ 26], который также называется монолитной схемой.Посредством биения помех между основной и спектральной составляющими DFG в области перекрывающегося инфракрасного спектра можно получить сигнал генерального директора с высоким отношением сигнал / шум, и в то же время лазер DFG в области среднего инфракрасного спектра. также может быть сгенерировано. Стоит упомянуть, что генератор импульсов DFG, генерируемых в середине инфракрасного диапазона, равен нулю, то есть самостабилизируется, что ценно в аттосекундной генерации. После стабилизации с помощью контура фазовой синхронизации сервоэлектроники частота генераторов лазерных импульсов в Ti: сапфировых лазерах, основанная на двух схемах, показала аналогичную высокую стабильность в краткосрочной перспективе, но в долгосрочных характеристиках последняя имела очевидные преимущества по сравнению с бывший в время удержания и согласованности [32 ~ 35].Схемы измерения и результаты контроля частоты генераторов импульсов в Ti: сапфировом генераторе будут подробно описаны в третьем и четвертом сегменте.
В системе усиления чирпированных импульсов (CPA), хотя частота генераторов импульсов затухания, излучаемых фемтосекундным генератором, сильно стабилизировалась, генераторы импульсов усиленных лазеров могут изменяться через усиленный кристалл, дисперсионный материал и воздух [36–38]. Наконец, мы описали измерение и контроль генеральной частоты лазерных импульсов высокой частоты с несколькими циклами при частоте повторения 1 кГц.
2. Сдвиг фазы огибающей несущей в фемтосекундном лазерном импульсе
Как уже говорилось выше, CEP — это относительная фаза между пиковой несущей и огибающей для одного лазерного импульса, а CEO — это изменение CEP от импульса к импульсу для импульсов поезд. Если мы запишем электрическое поле лазерного импульса как
E (t) = A (t) cos (ωct + φ) E2.1
, то φ определяет CEP, часто используемую для обозначения «абсолютной» фазы , Генеральный директор обозначен как Δ φ .Эта терминология «абсолютная» полезна для различать φ и Д φ и подчеркнуть тот факт, что φ не является относительно второго опорного пучка. На практике методы измерения и контроля φ и Δ φ полностью отличаются. В наших экспериментах мы сосредоточились на измерении и управлении Δ φ в частотной области.
Для глубокого понимания φ и Δ φ будут полезны описания во временной и частотной областях.Во временной области последовательность импульсов, излучаемых фемтосекундными лазерами с синхронизацией мод, обеспечивает один и тот же временной интервал τ , тогда как в частотной области спектр можно легко получить путем расширения последовательностей Фурье, получая гребень из регулярно расположенных частот где расстояние между гребнями обратно пропорционально интервалу времени между соседними импульсами. Соответствующее соотношение последовательности импульсов во временной области и в частотной области показано на рис. 1 (а) и (б).Если Δ φ равен нулю, распределение гребенки частоты последовательности импульсов от генератора Ti: сапфиров с синхронизацией мод изображено пунктирными линиями на рис. 1 (b), и если Δ φ не равно нулю, происходит сдвиг частоты всей гребенки, вызванный Δ φ , определяемый как f 0 .
Генеральный директор в последовательности импульсов, испускаемый лазером с синхронизацией мод, возникает потому, что фазовые и групповые скорости внутри резонатора различны. Из-за рассеяния, последовательные импульсы
Рисунок 1.
Картинки частотно-временного соответствия для последовательности импульсов.
Выходпосле однократного обхода в резонаторе приведет к фазе смещения, его можно выразить как
Δφ = 2πωc⋅l⋅ (1 / vg − 1 / vp) E2.2
где vvp (vg) — это средняя фазовая (групповая) скорость в резонаторе лазера, ls длина резонатора лазера и ωc — частота несущей.
В частотной области оптические частоты гребенчатых линий можно записать в виде:
fm = mfrep + f0E2.3
, где м обозначает большое целое число порядка миллионов, которое индексирует линию гребня, frep — это частота повторения в целом менее 1 ГГц, а f 0 — смещение гребенки из-за Δ φ . f 0 имеет отношения с Δ φ
f0 = 12πfrepΔφE2 9
Таким образом, задача стабилизации Δ φ переключается на стабилизацию f 0 .
Из уравнения(2.3), мы можем обнаружить, что оптическая частота f м напрямую связана с частотой повторения frep и частотой генерального директора f 0 . Это означает, что гребенчатая система имеет две степени свободы: frep и f 0 , и обе должны управляться для реализации стабильной гребенки частоты.
3. Схемы измерения частоты генерального директора
Контроль генерального директора является важной предпосылкой для многих лазерных явлений высокой интенсивности, чувствительных к электрическому полю.Чтобы контролировать это, мы должны сначала измерить это. Частоту повторения легко измерить с помощью фотодиодного детектора, однако измерение генерального директора является гораздо более сложной задачей. Из уравнения (2.4), мы видим, что фазовая эволюция от импульса к импульсу вызывает жесткое смещение гребенки частоты на 0 . Таким образом, если мы можем измерить f 0 , мы можем определить генерального директора. Это дает нам представление о том, что можно измерить f 0 с помощью частотно-гетеродинных когерентных методов.В этом сегменте мы сравним две разные схемы измерения частоты для двух разных самодельных Ti-синхронизированных мод: сапфировые генераторы, то есть метод f-to-2f и 0-to-f .
3.1. Метод интерферометра f-to-2f
Чтобы измерить частоту генерального директора с помощью метода f-to-2f , необходимо расширить спектр на одну октаву. Однако ширина полосы спектра, генерируемая обычным Ti: сапфировым генератором с синхронизацией мод, обычно составляет менее 100 нм.Для получения спектра октавного охвата используется фотонно-кристаллическое волокно (PCF), идеальный материал с высокой эффективной нелинейностью, для расширения спектра с помощью фазовой модуляции с фемтосекундным лазерным импульсом, генерируемой обычными Ti: сапфировыми генераторами.
Если спектр достаточно широк, например, охватывает октаву, низкочастотная составляющая спектра может быть записана как
fn = nfrep + f0E3.1
, а высокочастотная составляющая спектра задана
F2n = 2nfrep + f0E3.2
Возникает область спектра, где высокочастотные компоненты и удвоенная частота низкочастотных компонентов перекрываются. Измеряя гетеродинный сигнал биений между f2n и 2 fn в перекрывающемся спектре, можно получить частоту смещения f 0 :
2fn− f2n = 2 (nfrep + f0) — (2nfrep + f0) ) = f0E3.3
Поскольку высокочастотные компоненты и удвоенные по частоте низкочастотные компоненты относятся к одному и тому же спектру, метод измерения f-to-2f также называется «самоссылкой».Следует отметить, что октавно-охватывающий спектр может быть получен с помощью PCF, используемого вне полости узкополосного фемтосекундного осциллятора Ti: сапфира, указанного выше, а также может быть получен непосредственно разработанным фемтосекундным осциллятором Ti: сапфира с сверхширокополосной шириной. успешно в последние годы [39,40].
Типичная экспериментальная установка, реализующая интерферометр f-to-2f, показана на рисунке 2. На самом деле, группа гребенчатых линий вносит фазу, когерентно вносящую фазу в сигнал фотодиода, поэтому даже с максимум 10 нановатт на гребенчатую линию (типичная величина для соты с интервалом 100 МГц после расширения в микроструктурном волокне) достаточно сигнал / шум (S / N) для правильной блокировки f 0 .По нашему опыту, достигнутый S / N выше 30 дБ, что достаточно для надежной фазовой синхронизации. Кроме реализации такого типичного прибора для измерения f 0 , существует еще один интерферометр f-to-2f с небольшой модификацией конфигурации, использованной в наших предыдущих экспериментах [21]. По нашему мнению, этот новый интерферометр f-to-2f имеет некоторые преимущества в структуре и работе, давайте кратко его представим. На рисунке 3 показана модифицированная конфигурация интерферометра f-to-2f.Самое большое отличие от стандартного заключается в положении PCF и кристалла с удвоенной частотой. Просто этот тонкий обмен позициями не только уменьшает оптические компоненты, такие как две линзы для фокусировки на кристалле LBO, но и ослабляет потребность в спектре, ухудшенном с помощью PCF, этого будет достаточно, чтобы расширить спектр до 400 нм на короткой длине волны. Частота генерального директора по этому интерферометру выше 30 дБ, удовлетворяющих жесткой блокировке.
Рисунок 2.
Стандартная конфигурация интерферометра f-to-2f.
Рисунок 3.
Конфигурация интерферометра f-to-2f с модификацией.
3.2. Метод 0-to-f, основанный на генерации разностной частоты
Несмотря на то, что метод измерения f-to-2f широко используется для измерения генераторской частоты ультракоротких импульсов, испускаемых Ti: сапфировым лазером с синхронизацией мод, в этом имеются некоторые недостатки система гребенки со стабилизированной частотой на основе схемы f-to-2f из-за ее сложной конфигурации и чувствительной к выравниванию PCF.Чтобы генерировать сильные нелинейные эффекты, когда ультракороткие импульсы распространяются через него, диаметр сердечника PCF должен быть очень малым, обычно при 1 ~ 2 мкм. Однако такой маленький диаметр сердечника может привести к большим потерям, значительному изменению спектра при незначительных помехах и ограничению максимальной выходной мощности гребенки. Кроме того, чрезмерная дисперсия и фазовый шум нелинейного интерферометра препятствуют сжатию лазера с широкополосным спектром до малоцикловых импульсов с малым джиттером времени. Недавно появилась новая методика генерации частоты генерального директора, основанная на генерации нелинейных разностных частот (DFG) и самофазной модуляции (SPM) малоцикловых импульсов, сфокусированных в монолитном высоколинейном периодически легированном ниобате лития, легированном оксидом магния (PP-). Кристалл MgO: LN) или другие нелинейные кристаллы [25].В областях спектрального перекрытия наблюдалась частота биений генерального директора между основной волной, распространяемой SPM, и волной DF. Этот метод называется методом измерения от 0 до f. Схема метода от 0 до f с использованием DFG показана на рисунке 4. Расческа частот DF (красная линия) производится путем смешивания высокочастотной части и низкочастотной части спектра (синяя линия), учитывая
fDF = (nhfrep + f0) — (nlfrep + f0) = (nh + nl) frepE3.4
Это не зависит от f 0 , означает, что генеральный директор последовательности импульсов DF равен нулю и CEP каждого импульса одинаков.Это уникальные характеристики метода 0-to-f, который важен для точной частотной метрологии и генерации аттосекунд.
Если спектр основной волны достаточно широк с помощью SPM, он будет перекрываться с помощью частотного гребня DF, где сигнал биений помехи может быть получен при f 0 путем сравнения от 0 до f.
Рисунок 4.
Схема 0-to-f методики измерения СЕО.
Метод измерения от 0 до f обычно применяется в лазерном импульсе короче 10 фс с ультраширокополосным спектром даже менее одной октавы.Такие Ti: сапфировые лазеры с синхронизацией мод доступны на основе метода компенсации дисперсии с чирпированным зеркалом [41-43]. В нашем эксперименте [44,45] типичный лазерный резонатор состоит из пары вогнутых чирпированных зеркал, плоских чирпированных зеркал и выходного ответвителя. Схема показана на рисунке 5. Высоко легированный Ti: сапфировый кристалл (Ti: Sa) был разрезан под углом Брюстерда с длиной в 2 мм, CM1, CM4 и CM5 являются зеркалами с чирпированными элементами с высокой отражательной способностью от 580 до 1100 нм, CM2 и CM3 Зеркальное парное зеркало с ROC 50 мм, OC — выходной ответвитель.Все эти зеркала были оптимизированы по выбору на основе расчета дисперсионного баланса среди всей оптики внутрирезонатора. Как только синхронизация мод началась, ultrabroaden
Рисунок 5.
Модифицированный Ti: сапфировый генератор на основе компенсации дисперсии с чирпированным зеркалом.
Спектрможет быть получен путем оптимизированного выравнивания расстояния между CM2 и CM3. С оптимизированной дополнительной полостью компенсации дисперсии с CM 4, CM5 и парой кварцевого клина мы получили след автокорреляции с разрешением интерферометра, как показано на рисунке 6 (A), с использованием коммерческого автокоррелятора (Femtolaser Inc).Это делает вывод, что длительность импульса короче, как 7.5fs.
Рис. 6.
a) Интерференционный сигнал разрешил след автокорреляции, b) Выходной спектр Ti: сапфирового генератора.
В методике измерения от 0 до f разностная частота генерируется между частотными составляющими в двух сторонах спектра, средние части спектра имеют небольшой вклад. Чтобы эффективно генерировать DFG, мы разработали и использовали специальный выходной ответвитель в сапфировом лазере Ti: для повышения интенсивности лазера по обоим краям, чем в центральном спектре.С этой идеей мы создали искусственный спектр с U-образным распределением, как показано на рисунке 6 (B). Два пика появляются вокруг длины волны 710 нм и 940 нм. Такой спектр может значительно оптимизировать отношение сигнал / шум из-за эффективного DFG между двумя длинами волн на краях спектра.
На рисунке 7. показана схема измерения частоты генераторов лазерных импульсов с частотой 7,5 фс, испускаемых из сапфирового генератора Ti: методом 0-to-f [26]. Импульсы с небольшим циклом отражаются вначале за несколько циклов двумя чирпированными зеркалами вне полости, чтобы компенсировать дисперсию, вызванную выходным соединителем, а затем через пару клиньев, чтобы тщательно регулировать остаточную дисперсию.Это ключевой шаг для генерации высокого сигнала S / N. Поскольку и высокочастотные, и низкочастотные компоненты для DFG поступают от одного и того же лазерного луча, если дисперсия компенсируется не полностью, они не будут полностью перекрываться в пространственной и временной областях, что приведет к невозможности генерирования разностной частоты.
Уникальным преимуществом является использование метода 0-to-f для измерения частоты генерального директора. За исключением сигнала с высоким S / N CEO в инфракрасном диапазоне вблизи основного спектра, генерация разностной частоты с самостабилизирующейся фазой происходит в дальнем инфракрасном диапазоне от основного спектра в одно и то же время.Разностный частотный спектр показан на рисунке 8 [46]. Мощность таких самостабилизирующихся лазерных импульсов слишком мала, чтобы их можно было измерить, однако после усиления она станет идеальным источником света для некоторых применений в сильных полях.
Рисунок 7.
Схема измерения 0-to-f.
Рисунок 8.
Спектр DFG с нулевой частотой генерального директора.
По сравнению с методами f-to-2f и 0-to-f, последний имеет очевидные преимущества, такие как более высокая мощность, лучшая стабильность и отсутствие чрезмерного шума преобразования амплитуды в фазу в PCF и т. Д.Кроме того, самостабилизация фазы CE с использованием DFG, который обеспечивает импульсы лазерного излучения с внутренней стабилизацией фазы в среднем инфракрасном спектре, полезна и полезна при применении генерации аттосекунд.
4. Надежная стабилизация частоты СЕО
Частота СЕО в малоимпульсных импульсах чувствительна к окружающей среде, такой как воздушный поток, температурный сдвиг и даже звуковой шум [47 ~ 49]. На практике все, что может пассивно уменьшить лазерные возмущения окружающей среды, снимает нагрузку с серво-петель и приводит к более успешной стабилизации.Исходя из нашего опыта стабилизации частоты генераторов в Ti: сапфировом лазере, конструкция резонатора на основе компенсации дисперсии с чирпированным зеркалом является более стабильной, чем на основе компенсации дисперсии призм. Это происходит из-за флуктуаций направления луча через последовательность призм, которые приводят к флуктуации CEP, однако полости на основе CM без призм свободны от таких колебаний. Чтобы реализовать долговременную надежную фазовую блокировку, некоторые действия, которые изолируют полости от окружающего возмущения, включают в себя заключение полости в герметичную алюминиевую коробку, использование высококачественных прочных креплений и использование самой низкой практической высоты луча.Кроме того, в качестве источника накачки необходимо использовать одночастотный твердотельный 532-нм лазер с диодной накачкой, такой как сериалы Verdi, изготовленные последовательной компанией, что полезно для снижения шума Ti: сапфирового лазера.
4.1. Управление частотой повторения и частотой СЕО
Частота повторения и частота СЕО — это две степени свободы для малоцикловых лазерных импульсов. Для стабилизации частоты лазера соответствует стабилизация этих двух параметров. В общем, частота повторения и частота генерального директора привязаны к одному и тому же стабильному микроволновому источнику снаружи одновременно, например, Rb, Cs или H часам.Тогда стабильность микроволновых часов может быть передана точно на оптическую частоту.
Измерение и контроль частоты повторения относительно просты из-за ее естественной стабильности, обычно сдвига на уровне Гц, а не сдвига уровня КГц частоты генерального директора. Однако это не так легко стабилизировать с высокой точностью. Посредством приклеивания зеркала к PZT в резонаторе в качестве контроллера, затем через APD принимаем остаточный свет передачи после одного зеркала и переключаемся на электрический сигнал частоты повторения, сравниваем со стандартной частотой микроволнового источника и получаем контрольный сигнал после пропорционально-интегрального (PI) процесса с обратной связью для управления PZT, наконец, стабильная длина полости может быть реализована с длительным температурным сдвигом.
Сравнительно говоря, управление частотой генерального директора является сложной задачей, потому что она быстро меняется на уровне КГц. В этом случае скорость ответа PZT, как правило, не в состоянии следовать за ним, AOM с высокой скоростью ответа используется для контроля частоты генерального директора. АОМ может слегка изменить мощность лазера накачки и привести к изменению частоты генерального директора. Таким образом, в цикле обратной связи управляющего директора AOM играет роль контроллера. Кроме того, чтобы замкнуть петлю, должен быть лазерный параметр, который вручную изменяет частоту генерального директора внутри резонатора.Пара клиньев вставляется в траекторию пучка полости, чтобы помочь реализации замкнутого контура.
4.2. Стабилизация гребенки частоты на основе DFG
Хорошо известно, что при одинаковой средней мощности лазера мощность каждой гребенки в моде линейно увеличивается с частотой повторения. Следовательно, частотная гребенка с высокой частотой повторения более полезна для измерений оптической частоты. Разработан Ti: сапфировый лазер с синхронизацией мод с частотой следования 350 МГц, основанный на методе компенсации дисперсии чирпированных зеркал [35].На фиг.9 схематично показана система гребенки стабилизированной частоты. Ти-сапфировый генератор с синхронизированным зеркалом с синхронизацией мод состоит из пяти зеркал, из которых зеркало M4 диаметром 6 мм, толщиной 2,3 мм приклеено к PZT, используемому для контроля длины полости. Пара клиньев помещается между зеркалом M3 и M4, чтобы грубо отрегулировать частоту генерального директора для закрытия петли. После предварительной компенсации дисперсии вне резонатора парой чирпированных зеркал выходной лазер со средней мощностью 300 мВт и длительностью импульса 7 фс фокусируется на кристалле MgO: PPLN толщиной 2 мм в петле 0-to-f в петле. Единица измерения частоты генерального директора.А лишний второй 0-to-f измерительный блок, называемый вне цикла, создан для анализа и сравнения фазового шума частоты генерального директора. На рисунке 9 также показана система электрической обратной связи для блокировки и и frep . Анализатор сигналов, три синтезатора СВЧ-частот и два частотных счетчика привязаны к стандартному сигналу 10 МГц, полученному из локальных тактовых импульсов TV-Rb.
Рисунок 9.
Установка для стабилизации малоцикловых импульсов в Ti: сапфировом лазере.
Частота повторения фемтосекундного лазера синхронизирована по фазе со стандартным сигналом 1,05 ГГц от синтезатора частоты и стабилизируется путем контроля длины резонатора. В контуре фазовой автоподстройки частоты для стабилизации frep 3-я гармоника frep извлекается и смешивается со стандартным выходным сигналом 1,05 ГГц из синтезатора. Сигнал фазовой ошибки фильтруется процессором PI и подается обратно в генератор Ti: сапфирового лазера с помощью PZT, установленного на торцевом зеркале M4, для стабилизации длины резонатора.Результат блокировки f с повторением показан на рисунке 10. Время непрерывной блокировки составляет 32673 с (время затвора 1 с), а стандартное отклонение составляет 220 мкГц, отклонение Аллана с блокировкой f с повторением , начиная с 6 × 10 -14 (время усреднения 1 с) и в зависимости от близкого к τ -1 (красная линия).
По сравнению со схемой f-to-2f, основанной на части PCF для генерации октанового спектра и интерферометра для обнаружения f 0 , монолитная схема без PCF может внести большой и выдающийся вклад в долгосрочную срок стабилизации.В случае отсутствия дополнительных сервоприводов, за исключением двух наборов петли фазовой синхронизации для одновременной блокировки f 0 и frep , время непрерывной блокировки может быть превышено до 32673 с (время срабатывания 1 с), т.е. более 9 часов, что примерно в двадцать раз больше по сравнению с результатом блокировки схемы f-to-2f, о которой мы сообщали. Результат блокировки f 0 за весь период показан на рисунке 11, а стандартное отклонение составляет около 2,6 мГц.Отклонение Аллана начинается с 2 × 10 -11 (время срабатывания 1 с) и падает близко к τ -1 (красная линия на рисунке 9), что ожидается для сигнала с фазовой синхронизацией.
Рисунок 10.
Отклонение Аллана от f rep при различном времени усреднения.
Рисунок 11.
Отклонение Аллана от f 0 при различном времени усреднения.
4.3. Измерение фазового шума в петле и вне петли
Долгосрочная фазовая когерентность CEP стала ключевым параметром для использования CEP-стабильных импульсов во многих реальных нелинейных экспериментах после управления генеральным директором последовательности импульсов.Как видно из уравнения. (2.4), небольшое смещение от до 0 = 0 вызывает накопленный фазовый шум в Δ φ . Таким образом, фазовый шум Δ φ отображается частотным шумом f 0 и приводит к расширению ширины линии в f 0 . Чтобы исследовать накопленный фазовый шум CEP в вышеупомянутой гребне частоты на основе схемы 0-to-f и сравнить шум, индуцированный кристаллами PCF и PPLN, одновременно создаются два одинаковых устройства 0-to-f, каждое со своим собственным монолитный кристалл PPLN.Как показано на рисунке 9, лазерный луч разделен на две части с помощью делителя луча пополам (зеркало А). Одна сфокусирована на первом кристалле MgO: PPLN для управления f 0 , другая часть сфокусирована на втором кристалле MgO: PPLN для независимого измерения фазового шума вне цикла. Хотя отношение сигнал-шум f 0 для каждой части составляет около 35 дБ (ширина полосы разрешения 100 кГц), что ниже, поскольку входная мощность каждого луча уменьшается только на половину, чем раньше, но все же достаточно для измерения управления и измерения фазового шума. ,Спектральные плотности мощности фазового шума (PSD) в однополосной и внепетонной петлях (PSB), равные f 0 , получают путем введения этих сигналов в анализатор сигналов. Измеренное PSD фазового шума SSB f 0 и минимальный уровень шума анализатора показаны на рисунке 12, соответственно. Фазовая погрешность, интегрированная от 1 Гц до 100 кГц, составляет около 230 мрад для петли и 242 мрад для петли. Наблюдается типичное увеличение на 12 мрад от накопленного фазового шума в контуре до вне контура.Напротив, в обычной схеме f-to-2f, где часть PCF используется для генерации спектра, охватывающего октаву, фазовый шум для внеполосного сигнала обычно увеличивается в несколько раз по сравнению с шумом в петле. , Как сообщается в работе. [50], накопленный фазовый шум составляет 0,1 рад для петли и более 0,2 рад для петли [1 Гц, 100 кГц], что соответствует приблизительно двукратному увеличению. Это существенное различие происходит от преобразования амплитудных колебаний в фазовые флуктуации в PCF.Однако, основываясь на монолитной схеме, PCF не вносит никакого дополнительного шума, а затем разница между входным и выходным контуром резко уменьшается.
Рисунок 12.
Внизу слева: спектр мощности шума SSB f0 как функция частоты Фурье. Черная линия: фазовая ошибка в контуре. Красная линия: ошибка фазы вне цикла. Синяя линия: минимальный уровень шума анализатора сигналов. Вверху справа: накопленный фазовый шум в петле (черный квадрат) и вне петли (красный квадрат) как функция времени наблюдения.
Здесь следует особо отметить, что когерентность f0 не является когерентностью оптической несущей волны с последовательными импульсами, а является когерентностью CEP. При измерении фазы в цикле и в цикле частота повторения не блокируется, поэтому частота оптической несущей изменяется в зависимости от и в случае стабильного f0 . Если frep стабилизирован, то может быть реализована оптическая когерентность в последовательности импульсов. Измерение фазового шума f0 без блокировки frep не влияет на результат когерентности CEP.Однако, учитывая, что оптическая частота имеет большой коэффициент умножения 10 6 при частоте повторения, простая блокировка frep на стабильные микроволновые часы не будет достаточной для реализации долгосрочной когерентности оптической частоты. Существуют интересы блокировки Frep на оптических часах или сверхстабильном оптическом резонаторе, что, скорее всего, будет необходимо для получения гораздо более высокой стабильности и более длительного когерентного времени.
5. Управление CEP высокоэнергетического лазерного импульса с частотой повторения 1 кГц.
CEP управление несколькими циклами световых импульсов позволяет генерировать оптические сигналы с профилем воспроизводимого электрического поля, который показал свою важность в наблюдаемых явлениях, таких как сверхпороговая ионизация и генерация гармоник высокого порядка (HHG).В частности, дрейф CEP сильно влияет на генерацию изолированных аттосекундных импульсов через HHG. Дополнительный дрейф CEP происходит на этапе усиления, даже если CEP затравочного генератора фиксирован. Несколько факторов, включая тепловые флуктуации окружающей среды, флуктуации наведения луча и флуктуации энергии лазерного импульса, могут привести к дрейфу и флуктуации в CEP усиленных импульсов. Обычно усиление работает при низкой частоте повторения с большой энергией импульса.Для оценки и дальнейшего контроля проскальзывания CEP усиленных импульсов предлагается однократное измерение спектральной помехи (SI) [36,37].
Фазовая синхронизация достигается путем модуляции мощности накачки затравочного генератора через AOM, которая изменяет передаваемую мощность пропорционально сигналу фазовой ошибки, генерируемому электроникой фазовой синхронизации. В результате, для системы CP: Ti: сапфир с частотой повторения 1 кГц, пропитанной несколькими импульсами cyle при частоте повторения 80 МГц, при выборе f0 = 20 МГц и привязке к четверти frep , каждый 4-й импульс реплицируется сам.Когда триггерный импульс запускается для выбора каждого 80 000-го импульса для последующего усиления, все импульсы выглядят одинаково.
5.1. Спектральная интерферометрия
Поскольку частота повторения усиленных импульсов составляет всего 1 кГц, трудно использовать метод f-to-2f или DFG для обнаружения сигнала CEP. В 2001 году Kakehata и др. . [13] предложил метод СИ для измерения CEP для одиночных импульсов. Метод использует дисперсионную среду для задержки и спектрального расширения импульса, так что помехи между коротковолновой частью и ее второй гармоникой могут быть обнаружены как периодическая кривая, из которой можно рассчитать частоту CEP.Выражение электрического поля ультракороткого лазерного импульса с гауссовым профилем составляет
EF (ω) = 2πexp {- [(ω − ωc) / 2] 2} exp (jφCE) E5.1
Здесь ω является центральной частотой в его Спектр, и ФЦП — КЭП.
Учитывая длинноволновую часть и ее гармонику, при прохождении через дисперсионную среду коротковолновая часть задерживает τ и отображается как фазовая задержка exp (-jωτ). Вычисляя его 1-й и 2-й порядок электрического диполя, интенсивность кривой интерференции составляет:
I (ω) ∝ | Pτ (1) (ω) + jP (2) (ω) | 2∝IF + ISH + 2 [IFISH ] 1 / 2cos [ωτ + φCE + π / 2] Е5.2
Для конкретной дисперсионной среды время задержки τ является постоянным. SoφCE способен извлекать путем преобразования Фурье интерференционный сигнал. Кроме того, зазор интерференционной полосы обратно пропорционален времени задержки, что указывает на то, что только короткая задержка может привести к значительному разрыву штрихов для интерферометров.
Преобразование Фурье сигнала помехи (для разрешения частота Фурье равна k):
F (I (ω)) pexp [k-τ2π2] 2exp (jφCE) E5.3
arg [F (I (ω)) | k = τ / 2π] ∝tan − 1 (φCE) E5.4
В реальном эксперименте путем введения ~ 1% усиленных импульсов, около 10 мкДж в 1 Сапфировая пластина толщиной 10 мм создает белый световой охват октавы, затем кристалл BBO используется для удвоения частоты инфракрасного спектра для создания спектральных помех с синими частями. Сигнал SI собирается спектрометром и анализируется программным обеспечением ПК. На рисунке 13 показан спектр помех на центральной длине волны 525 нм с шириной полосы 30 нм, которая охватывает около 17 полос помех.Следует упомянуть, что предпосылкой достижения этого спектра помех является блокировка главного исполнительного механизма последовательности начальных импульсов, испускаемых из генератора Ti: сапфир. Цепь с фазовой синхронизацией для управления с обратной связью генеральным директором начальных импульсов с частотой повторения нескольких МГц называется «быстрой петлей», то есть «медленной петлей», предназначенной для CEP электрического сервоуправления для последовательных импульсов с усилением частоты повторения в кГц. Очевидно, что в спектре усиленных импульсов нет интерференционного явления, если не включить «быструю петлю».
Рисунок 13.
Спектр интерференции усиленных импульсов.
5.2. Управление CEP в усиленных импульсах
Процесс управления CEP для усиленных импульсов реализуется с помощью программного обеспечения реального времени, работающего на ПК, которое получает выходной сигнал интерферометра (Ocean Optics, HR2000) и выводит управляющий сигнал с помощью D / A. преобразование через карту DAQ (National Instrument, PCI-6221). Во-первых, система производит выборку кривой помех и применяет БПФ к интересующей области спектра, чтобы получить мощность и фазовый спектр CEP.Во-вторых, смещение пиковой частоты спектра CEP k автоматически оценивается по спектру Фурье, так что можно вычислить соответствующий φCE. Из уравнения (9) передаточная функция процесса определения фазы «медленного контура»:
ч3 (φCE (t)) | φCE1≈K2φCE (т) h3 (с) ≈K21s2E5.5
ПИ-регулятор, Gc2 (s) = Kp2⋅ (1 + 1Ti2s), компенсирует фазовую ошибку и выдает управляющий сигнал для «быстрой петли», чтобы изменить свою опорную точку так, чтобы оба ФАПЧ могли быть замкнуты. В результате, CEP усиленных импульсов может легко управляться как «быстрой», так и «медленной» обратной связью с затравочным генератором через электронику фазовой синхронизации.Чтобы соответствовать уравнению (4) и настроить параметры контроллера для различных условий эксперимента, конструкция контроллера должна обладать адаптивностью. Алгоритм метода автонастройки, основанный на реле заданного значения, применяется для оптимизации параметра P / I для кратчайшего времени нарастания и минимального превышения. Эксперимент показывает, что метод автонастройки может иметь в 2-3 раза меньшую ошибку CEP, чем ручная настройка параметров.
На рисунке 14 показаны результаты блокировки усиленных импульсов при включенной и выключенной медленной петле. На рисунке 14 кривая A показывает дрейф CEP усиленных импульсов в течение 5 минут, когда блокировка генератора выполняется только с помощью «быстрой петли», а кривая B — результат после блокировки «медленной петли».Понятно, что CEP сильно меняется в первом состоянии, а среднеквадратическая ошибка CEP в последующем составляет всего 53 мрад. Система может блокироваться более 3 часов. Для лазеров с еще более низкой частотой повторения, хотя метод SI все еще способен эффективно обнаруживать CEP, полоса пропускания контура обратной связи ограничена частотой повторения, поэтому эффективность шумоподавления также ограничена.
Рисунок 14.
Усиленные импульсы CEP меняются во времени, кривая A блокирует только генератор; Кривая B блокирует два ФАПЧ одновременно.
6. Резюме
Методы гребенки (стабилизация генерального директора в генераторе) оказали поистине революционное влияние на метрологию оптической частоты и прецизионную спектроскопию с момента ее появления около десяти лет назад. В частности, в последние годы был исследован ряд нелинейных физических процессов, зависящих от электрического поля, а не огибающей импульса, таких как когерентное управление атомной и молекулярной системой, оптимизация генерации высоких гармоник и динамика движения электрона на фемтосекунде и на второй временной шкале, где очевидно, что стабилизация CEP в усиленных импульсах играла важную роль.Мы представили новую монолитную систему гребенки частоты 350 МГц, основанную на методике измерения от 0 до f с превосходной долгосрочной фазовой синхронизацией, и реализовали стабилизацию высокоэнергетических импульсов на частоте 1 кГц с флуктуацией фазы менее 60 мрад. Соответственно, мы полагали, что стабилизированный CEP фемтосекундный лазер, использующий передовые методы, продолжит открывать новые области применения в будущем.
В первой части этой серии были представлены петли фазовой синхронизации (ФАПЧ), описаны основные архитектуры и принципы работы. В него также включен пример использования ФАПЧ в системах связи. Во второй части серии были подробно рассмотрены критические характеристики производительности, такие как фазовый шум, опорные шпоры и утечка на выходе, и было рассмотрено их влияние на производительность системы.В этой последней части серии мы рассмотрим некоторые основные строительные блоки, которые составляют синтезатор PLL. Мы также сравним архитектуры с целым-N и дробным-N. Серия завершится кратким описанием VCO, доступных в настоящее время на рынке, и списком синтезаторов семейства Analog Devices.
PLL Синтезатор основные строительные блоки
Синтезатор ФАПЧ можно рассматривать с точки зрения нескольких основных строительных блоков. Уже затронутые, теперь они будут рассмотрены более подробно:
Фазочастотный детектор (PFD)
Опорный счетчик (R)
Обратный счетчик (N)
Фазочастотный детектор (PFD)
Сердцем синтезатора является фазовый детектор или фазовый частотный детектор.Это где сигнал опорной частоты сравнивается с сигналом подается обратно с выхода ГУН, и результирующий сигнал ошибки используется для приведения в действие контурный фильтр и ГУН. В цифровом ФАПЧ (DPLL) фазовый детектор или фазочастотный детектор является логическим элементом. Три наиболее распространенных реализации:
Эксклюзивный или (EXOR) вентиль
J-K триггер
Цифровой фазочастотный детектор
Здесь мы рассмотрим только PFD, элемент, используемый в семействах синтезаторов ADF4110 и ADF4210, потому что — в отличие от вентиля EXOR и триггера JK — его выход пропорционален разности частот между двумя входами, когда он находится в разблокированном штат.
На рисунке 1 показана одна реализация PFD, в основном состоящая из двух триггеров D-типа. Один Q-выход включает источник положительного тока; и другой выход Q включает отрицательный источник тока. Предполагая, что в этой схеме триггер D-типа запускается с положительного фронта, эти состояния следующие:
11 — оба выхода высокого уровня, отключены вентилем AND (U3) обратно на контакты CLR на триггерах.
00 — оба P1 и N1 выключены, и выход OUT, по существу, находится в состоянии высокого импеданса.
10 –P1 включен, N1 выключен, и выход на V +.
01 –P1 выключен, N1 включен, и выход на V–.
Рисунок 1. Типичный PFD с использованием триггеров D-типа.
Теперь рассмотрим, как ведет себя схема, если система не заблокирована, а частота в + IN намного выше частоты в -IN, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Сигналы PFD вне частотной и фазовой синхронизации.Поскольку частота в + IN намного выше, чем в –IN, выход большую часть своего времени проводит в высоком состоянии.Первый передний фронт на + IN посылает высокий уровень на выходе, и это поддерживается до тех пор, пока первый передний фронт не появится на –IN. В практической системе это означает, что выходной сигнал, и, следовательно, входной сигнал VCO, повышается, что приводит к увеличению частоты при –IN. Это именно то, что нужно.
Если бы частота на + IN была намного ниже, чем на –IN, это привело бы к обратному эффекту. Выход на OUT будет проводить большую часть своего времени в низком состоянии. Это привело бы к движению VCO в отрицательном направлении и снова приблизило бы частоту в -IN к частоте в + IN, чтобы приблизиться к заблокированному состоянию.На рисунке 3 показаны формы сигналов, когда входы синхронизированы по частоте и близки к фазовой синхронизации.
Рисунок 3. Сигналы PFD, с частотной блокировкой, но без фазовой синхронизации.Поскольку + IN опережает –IN, выходной сигнал представляет собой серию положительных импульсов тока. Эти импульсы будут иметь тенденцию возбуждать ГУН, так что сигнал –IN выравнивается по фазе с сигналом + IN.
Когда это происходит, если не было никакого элемента задержки между U3 и входами CLR U1 и U2, было бы возможно, чтобы выход находился в режиме высокого импеданса, не создавая ни положительных, ни отрицательных импульсов тока.Это не было бы хорошей ситуацией. ГУН будет дрейфовать, пока не возникнет значительная фазовая ошибка, и он снова не начнет генерировать положительные или отрицательные импульсы тока. В течение относительно длительного периода времени, эффект от этого велосипедного бы на выходе насоса заряда, чтобы быть модулирована сигналом, который является субгармонична входного опорной частоты ПФО. Так как это может быть низкочастотный сигнал, он не будет ослаблен контурным фильтром и приведет к очень значительным выбросам в выходном спектре ГУН, явление, известное как эффект с люфтом .Элемент задержки между выходом U3 и входами CLR U1 и U2 гарантирует, что этого не произойдет. С элементом задержки, даже когда + IN и –IN идеально выровнены по фазе, на выходе зарядного насоса будет генерироваться импульс тока. Длительность этой задержки равна задержке, вставленной на выходе U3, и называется шириной импульса противодействия обратной реакции.
Счетчик ссылок
В классическом Целочисленное-N синтезатора, разрешение выходной частоты определяется опорной частотой приложенного к фазового детектора.Так, например, если требуется разнос 200 кГц (как в телефонах GSM), то эталонная частота должна быть 200 кГц. Однако получить стабильный источник частоты 200 кГц непросто. Разумный подход заключается в том, чтобы взять хороший высокочастотный источник на основе кристаллов и разделить его. Например, желаемый интервал частот может быть достигнут, если начать с эталона частоты 10 МГц и разделить его на 50. Этот подход показан на диаграмме на рисунке 4.
Рисунок 4. Использование счетчика ссылок в синтезаторе ФАПЧ.Счетчик обратной связи, N
Счетчик N, также известный как делитель N, является программируемым элементом, который устанавливает соотношение между входной и выходной частотами в ФАПЧ. Сложность счетчика N выросла за эти годы. В дополнение к прямому счетчику N, он эволюционировал, чтобы включить предварительный скейлер, который может иметь двойной модуль.
Эта структура выросла как решение проблем, присущих использованию базовой структуры деления на N для обратной связи с фазовым детектором, когда требуются очень высокочастотные выходы.Например, предположим, что требуется выходной сигнал 900 МГц с разносом 10 кГц. Можно использовать опорную частоту 10 МГц с R-делителем, установленным на 1000. Тогда значение N в обратной связи должно быть порядка 90 000. Это будет означать, по крайней мере, 17-битный счетчик, способный работать с входной частотой 900 МГц.
Для обработки этого диапазона имеет смысл предварять программируемый счетчик фиксированным элементом счетчика, чтобы довести очень высокую входную частоту до диапазона, в котором будет работать стандартная CMOS.Этот счетчик, называемый прескейлером , показан на рисунке 5.
Рисунок 5. Базовый прескалер.Однако использование стандартного прескалера приводит к другим осложнениям. Разрешение системы теперь ухудшено ( F 1 × P ). Эта проблема может быть решена с помощью двухмодульного прескалера (рис. 6). Он имеет преимущества стандартного прескалера, но без потери разрешения системы. Двухмодульный прескалер представляет собой счетчик, коэффициент деления которого можно переключать с одного значения на другое с помощью внешнего управляющего сигнала.Используя двухмодульный прескалер со счетчиками A и B, можно по-прежнему поддерживать выходное разрешение F 1 . Однако должны быть выполнены следующие условия:
Рисунок 6. Двухмодульный прескалер- Выходные сигналы обоих счетчиков имеют высокий уровень, если время ожидания счетчиков не истекло.
- Когда счетчик B истекает, его выход становится низким, и он сразу загружает оба счетчика к их предустановленным значениям.
- Значение, загружаемое в счетчик B, всегда должно быть больше значения, загруженного в счетчик A.
Предположим, что счетчик B только что истек, и оба счетчика были перезагружены со значениями A и B. Давайте найдем количество циклов VCO, необходимое для повторного перехода в одно и то же состояние.
До тех пор, пока счетчик А не истек, время ожидания прескалера делится на P + 1. Таким образом, оба счетчика A и B будут отсчитывать 1 каждый раз, когда предварительный пересчет считает (P + 1) циклов VCO. Это означает, что таймер счетчика A истекает после (( P +1) × A ) циклов VCO.В этот момент прескалер переключается на деление на P . Также можно сказать, что в это время счетчик B все еще имеет ( B — A ) циклы, которые он должен пройти до истечения времени ожидания. Сколько времени потребуется для этого: (( B — A ) × P ). Система вернулась к исходному состоянию, с которого мы начали.
Общее количество циклов VCO, необходимое для этого:
При использовании двухмодульного прескалера важно учитывать самые низкие и самые высокие значения N.Что мы действительно хотим здесь, так это диапазон, в котором можно изменить N дискретными целочисленными шагами. Рассмотрим выражение N = A + BP. Чтобы обеспечить непрерывный целочисленный интервал для N, A должен находиться в диапазоне от 0 до (P – 1). Затем, каждый раз, когда B увеличивается, достаточно разрешения, чтобы заполнить все целочисленные значения между BP и ( B +1) P . Как уже отмечалось для прескалера с двойным модулем, B должен быть больше или равен A, чтобы прескалер с двойным модулем работал.Исходя из этого, мы можем сказать, что наименьший возможный коэффициент деления при возможности увеличения в дискретных целочисленных шагах:
Наибольшее значение N дает
В этом случае A макс. и B макс. определяются размерами счетчиков A и B.
Теперь для практического примера с ADF4111.
Предположим, что прескалер запрограммирован на 32/33.
Счетчик: 6 бит означает, что A может быть 2 6 — 1 = 63
Счетчик B: 13 бит означает, что B может быть 2 13 — 1 = 8191
ADF4110 Семейство
Все строительные блоки, обсуждаемые в предыдущих разделах, используются в новых семействах синтезаторов целых чисел от ADI.Семейство синтезаторов ADF4110 состоит из отдельных устройств, а семейство ADF4210 состоит из двух версий. Блок-схема ADF4110 показана ниже. Он содержит эталонный счетчик, предварительный скейлер с двумя модулями, счетчик N и блоки PFD, описанные выше.
Рисунок 7. Блок-схема семейства ADF4110.Fractional-N Synthesizers
Авторы обязаны The McGraw-Hill Companies за разрешение использовать защищенный авторским правом материал из ссылки 4 в этом разделе.
Многие из появляющихся систем беспроводной связи нуждаются в более быстром переключении и более низком фазовом шуме в гетеродине (LO). Фракционный N-синтез является средством достижения обеих этих целей.
Техника была первоначально разработана в начале 1970-х годов. Эта ранняя работа была проделана главным образом Hewlett Packard и Racal. Изначально этот метод назывался «дигифаза», но позже он стал широко называться дробным-N.
В стандартном синтезаторе можно делить РЧ-сигнал только на целое число.Это делает необходимым использование относительно низкой опорной частоты (определяется расстоянием между системой каналов) и приводит к высокому значению N в обратной связи. Оба эти факта имеют большое влияние на время установления системы и фазовый шум системы. Низкая опорная частота означает длительное время установления, а высокое значение N означает больший фазовый шум.
Если в обратной связи может произойти деление на дробь, можно было бы использовать более высокую опорную частоту и при этом достичь разнесения каналов.Это более низкое дробное число также будет означать более низкий фазовый шум.
Если факт, то можно реализовать деление на дробь в течение длительного периода времени путем попеременного деления на два целых числа (деление на 2,5 может быть достигнуто путем последовательного деления на 2 и 3).
Итак, как разделить на X или (X + 1) (при условии, что дробное число находится между этими двумя значениями)? Ну, дробной части числа может быть разрешено накапливаться с эталонной частотой.
Рисунок 8Дробно-N синтезатор.Диаграмма на рисунке 9 показывает синхронизацию системы Fractional-N, описанной на рисунке 8. Для целей этого примера мы приняли коэффициент деления 4,6.
Сигнал F OUT показывает 46 циклов в течение времени, когда FREF выполняет 10 циклов. В течение времени, когда FREF генерирует свой первый цикл, счетчик N должен делиться на 4,6. Конечно, это невозможно. Он делится на 4. Таким образом, в первом цикле 0,6 импульса «отсутствуют» на выходе счетчика.Это запоминается в системе с помощью аккумулятора. Аккумулятор использует тот же код, что и F-регистр. В начале каждого опорного цикла, аккумулятор добавляет содержимое F Регистрации его ранее накопленное значение. Таким образом, начиная с момента времени 0, аккумулятор будет отслеживать «пропущенные» доли импульсов.
Во втором контрольном цикле счетчик N снова делится на 4. Аккумулятор теперь прибавит 0,6 к 0,6, накопленным в первом контрольном цикле. Это дает значение 1.2 в аккумуляторе, но, поскольку он может хранить только значения, меньшие 1, будет создан переполнение, и 0,2 сохранится как содержимое аккумулятора.
Переполнение используется для активации цепи удаления импульсов. Таким образом, следующий импульс, генерируемый ГУН, удаляется со входа на счетчик N. Это удаление импульсов имеет тот же эффект, что и деление на 5 вместо 4. Как показано на схеме, аккумулятор снова переполняется в 4-м, 5-м, 7-м, 9-м и 10-м циклах. Таким образом, в серии из 10 контрольных циклов имеется шесть переполнений, что дает общее количество (4 × 4) + (6 × 5) = 46.Это именно то, что было нужно.
Рисунок 9. Дробный-N времени.Резюме производителей VCO
В условиях стремительного роста беспроводной связи спрос на такие продукты, как синтезаторы и ГУН, резко возрос за последние пять лет. Интересно, что до сих пор рынки обслуживались двумя разными группами производителей. Ниже перечислен выбор игроков в поле VCO. Этот список не является всеобъемлющим, но дает читателю представление о некоторых основных игроках.
VCO
Murata Murata предлагает устройства как на 3, так и на 5 В. VCO
в основном узкополосные для беспроводных телефонов и базовых станций.
Частоты определяются стандартами беспроводной частоты.
Vari-L Vari-L работает на том же рынке, что и Murata. Доступны устройства на 3 и 5 В
.
Альпы Альпы делают VCO для беспроводных телефонов и базовых станций.
Mini-Circuits Mini-Circuits предлагает узкополосные и широкополосные VCO.
Z-Comm Z-Communications имеет широкополосные и узкополосные VCO.
Широкополосные VCO обычно имеют диапазон настройки октавы
(например, от 1 ГГц до 2 ГГц) и работают от напряжения питания
до 20 В. Они предлагают упаковку для поверхностного монтажа.
Micronetics Micronetics предлагает как узкополосные, так и широкополосные VCO.
Их сила в большей степени заключается в широкополосных продуктах, где они
могут выходить из октавного диапазона на частотах до 1200 МГц.
Выше этих выходных частот диапазон несколько уменьшается.
Семейство аналоговых синтезаторов
В следующей таблице перечислены члены семейства синтезаторов ADF4xxx. Он включает в себя одинарные и двойные устройства, а также устройства с целым-N и дробным-N. Доступные в настоящее время предварительные данные указаны по ссылкам. Чтобы получить образцы, информацию о наличии и дополнительную информацию, свяжитесь с нами по адресу [email protected].
Руководство по выбору ADI PLL — февраль 2002 г.
| Single / Dual | ADI Модель | 2-й источник? | Макс.РЧ-вход Частота FIN (МГц) | Фазовый шум @ 1 кГц? N дБн / Гц, 200 кГц PFD | Фазовый шум Частота | Макс. Опорный генератор Частота FOSC (МГц) | Предскалеры РФ | Рассеиваемая мощность вкл. (МА) | Пакет |
| Single RF | ADF4001BRU | Собственность165 | -99 | 200 МГц | 100 | 4.5 мА | ЦСОП-16 | ||
| Single RF | ADF4001BCP | Собственность165 | -99 | 200 МГц | 100 | 4,5 мА | CSP-20 | ||
| Single RF | ADF4110BRU | Собственность 550 | -91 | 540 МГц | 100 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 4.5 мА | ЦСОП-16 | |
| Single RF | ADF4110BCP | Собственность550 | -91 | 540 МГц | 100 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 4,5 мА | CSP-20 | |
| Single RF | ADF4111BRU | Собственность1200 | -78 | 836 МГц | 100 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 4.5 мА | ЦСОП-16 | |
| Single RF | ADF4111BCP | Собственность1200 | -78 | 836 МГц | 100 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 4,5 мА | CSP-20 | |
| Single RF | ADF4112BRU | Собственность3000 | -86 | 1750 МГц | 100 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 6.5 мА | ЦСОП-16 | |
| Single RF | ADF4112BCP | Собственность3000 | -86 | 1750 МГц | 100 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 6,5 мА | CSP-20 | |
| Single RF | ADF4113BRU | Собственность3700 | -85 | 1960Mhz | 100 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 8.5 мА | ЦСОП-16 | |
| Single RF | ADF4113BCP | Собственность3700 | -85 | 1960Mhz | 100 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 8,5 мА | CSP-20 | |
| Single RF | ADF4106BRU | Собственность6000 | -84 | 5800 МГц | 250 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 13 мА | ЦСОП-16 | |
| Single RF | ADF4106BCP | Собственность 6000 | -84 | 5800 МГц | 250 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 13 мА | CSP-20 | |
| Single RF | ADF4116BRU | LMX2306TM | 550 | -89 | 540 МГц | 100 | 8/9 | 4.5 мА | ЦСОП-16 |
| Single RF | ADF4117BRU | LMX2316TM | 1200 | -87 | 900 МГц | 100 | 32/33 | 4,5 мА | ЦСОП-16 |
| Single RF | ADF4118BRU | LMX2326TM | 3000 | -90 | 900 МГц | 100 | 32/33 | 6.5 мА | ЦСОП-16 |
| Dual RF / IF | ADF4210BRU | Собственность 1200 | -89 | 900 МГц | 115 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 4,5 мА | ЦСОП-20 | |
| Dual RF / IF | ADF4210BCP | Собственность1200 | -89 | 900 МГц | 115 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 4.5 мА | CSP-20 | |
| Dual RF / IF | ADF4211BRU | Собственность | 2000 | -89 | 900 МГц | 115 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 7,5 мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4211BCP | Собственность | 2700 | -89 | 900 МГц | 115 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 7.5 мА | CSP-20 |
| Dual RF / IF | ADF4212BRU | Собственность | 2700 | -91 | 900 МГц | 115 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 11,5 мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4212BCP | Собственность | 2700 | -91 | 900 МГц | 115 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 11.5 мА | CSP-20 |
| Dual RF / IF | ADF4212LBRU | Собственность 2500 | -91 | 900 МГц | 115 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 6 мА | ЦСОП-20 | |
| Dual RF / IF | ADF4212LBCP | Собственность 2500 | -91 | 900 МГц | 115 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 6 мА | CSP-20 | |
| Dual RF / IF | ADF4213BRU | Собственность3000 | -91 | 900 МГц | 115 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 13 мА | ЦСОП-20 | |
| Dual RF / IF | ADF4213BCP | Собственность3000 | -91 | 900 МГц | 115 | 8/9 16/17 32/33 64/65 | 13 мА | CSP-20 | |
| Dual RF / IF | ADF4206BRU | LMX2337TM | 550 | -92 | 540 МГц | 40 | 32/33 64/65 | 9.5 мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4207BRU | LMX2335TM | 1100 | -90 | 900 МГц | 40 | 32/33 64/65 | 11 мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4208BRU | LMX2336TM | 2000 | -89 | 900 МГц | 40 | 32/33 64/65 | 14 мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4216BRU | LMX2332TM | 1200 | -87 | 900 МГц | 40 | 32/33 64/65 | 9 мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4217BRU | LMX2331TM | 2000 | -88 | 900 МГц | 40 | 32/33 64/65 | 12 мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4217LBRU | LMX2331LTM | 2000 | -88 | 900 МГц | 110 | 32/33 64/65 | 7мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4217LBCC | LMX2331LSLB | 2500 | -88 | 900 МГц | 110 | 32/33 64/65 | 7мА | BCC-24 |
| Dual RF / IF | ADF4218BRU | LMX2330TM | 2500 | -90 | 900 МГц | 40 | 32/33 64/65 | 14 мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4218LBRU | LMX2331LTM | 2500 | -90 | 900 МГц | 110 | 32/33 64/65 | 7мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4218LBCC | LMX2331LSLB | 2500 | -90 | 900 МГц | 110 | 32/33 64/65 | 7мА | BCC-24 |
| Dual RF / IF | ADF4219LBRU | LMX2370TM | 3000 | -90 | 900 МГц | 110 | 32/33 64/65 | 7мА | ЦСОП-20 |
| Dual RF / IF | ADF4219LBCC | LMX2370SLB | 3000 | -90 | 900 МГц | 110 | 32/33 64/65 | 7мА | BCC-24 |
| Dual RF / IF | ADF4252BCP | Собственность3000 | -103 | 1740 МГц | 150 | 4/5 8/9 | 12 мА | CSP-24 |
Ссылки
- Mini-Circuits Corporation, VCO Designers ‘Manual , 1996.
- л.с. Couch, Цифровые и аналоговые системы связи , издательство Macmillan, Нью-Йорк, 1990.
- P. Vizmuller, RF Design Guide , Artech House, 1995.
- R.L. Best, Петли с фазовой блокировкой: проектирование, моделирование и приложения , 3-е издание, McGraw-Hill, 1997.
- Голдберг, Бар-Джора, Демистификация цифрового частотного синтеза , Игл Рок, Вирджиния: LLH Technology Publishing, 1999.
Подтверждения
Семейство синтезаторов ADF4xxx разработано на предприятии Analog Devices в Лимерике, Ирландия.В состав группы продуктов входят: Майк Татхилл, Лео МакХью, Билл Хант, Майк Кивини, Брендан Дейли, Пол О’Брайен, Пол Мэллон, Ян Коллинз, Синеад О’Киф, Лиам МакКанн, Патрик Уолш, Кристоир О’Рейли, Пол Лавен Самуэль Ландете, Найл Кирни и Майк Кертин. Группа хотела бы отметить ценный вклад Джона Стрэнджа и Ашиша Шаха в Analog Devices, Кент (Великобритания) и Фреда Вейса в Analog Devices Northwest Labs (Бивертон, Орегон).