طراحی و ساخت سنسور جریان کواکسیال جریان زیاد پالسی تا مرتبه نانوثانیه

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، مجتمع دانشگاهی الکترومغناطیس، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، شاهین‏شهر، ایران

2 کارشناس ارشد، شرکت تجهیزات انتقال برق پارس، اصفهان، ایران

3 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

برای اندازه‏گیری جریان گذرای مدارهای باسرعت کلیدزنی بسیار سریع به حسگرهای با پهنای باند فرکانسی زیاد نیاز است. برای چنین سنسور جریان دقیقی بایستی ولتاژی که از دو سر هادی سنسور اندازه‏گیری می‏شود در همه شرایط با جریان عبوری متناسب باشد. مشکل اصلی این سنسورها، تغییر اندازه امپدانس این هادی در فرکانس‏های مختلف است. به این طریق رابطه ولتاژ اندازه‏گیری شده با جریان مورد نظر خطی نیست و مقدار اندازه‏گیری شده اعتبار ندارد. همچنین تغییر مقاومت هادی به‏واسطه اثر پوستی نیز می‏تواند مزید بر علت باشد. در این مقاله نشان داده شده که بر اساس سنسورهای شنت کواکسیال و انتخاب ضخامت هادی‏های سنسور، اثر اندوکتانس هادی داخلی و اثر پوستی در پهنای باند دلخواه قابل حذف است. هادی لوله داخلی سنسور به چند قسمت موازی تقسیم شده که باعث افزایش بیشتر نسبت مقاومت اهمی به اندوکتانس می‏شود. همچنین اندوکتانس این هادی بصورت تحلیلی محاسبه شده است. برای طراحی سنسور بر اساس پهنای باند فرکانس و مشخصات پالس جریان، فلوچارت طراحی سنسور پیشنهاد شد و بر اساس آن یک سنسور جریان برای پهنای باند فرکانسی MHz و یک سنسور برای پهنای باند GHz طراحی شده است سپس و یک سنسور جریان نمونه ساخته شده و توسط آن پالس مسطح جریان با دامنه A146و پهنای ms 2.5 و پالس جریان استاندارد µs 8.20 با دامنه KA2 و پهنای µs32 با دقت خوب اندازه‌گیری شده است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design and Implementation of pulsed high current coaxial current sensor up to the order of nanoseconds

نویسندگان [English]

  • M. Jafarboland 1
  • B. Minaei 2
  • B. Jafarboland 3
1 Faculty of Electrical Engineering and Electroseram, Malek-Ashtar University, Isfahan, IRAN
2 Pars Power Transmission Equipment Company, Isfahan, Iran
3 Department of Electrical Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

To measure the transient current of very fast switching circuits, sensors with a high frequency bandwidth are needed. For such an accurate current sensor, the voltage measured from the two ends of the sensor conductor must be proportional to the passing current in all conditions. The main problem of these sensors is the change in the impedance of this conductor at different frequencies. In this way, the relationship between the measured voltage and the desired current is not linear and the measured value is not valid. Also, the change of conductor resistance due to skin effect can also be the cause. In this article, it is shown that based on coaxial shunt sensors and the selection of the thickness of the sensor conductors, the effect of internal conductor inductance and skin effect can be eliminated in the desired bandwidth. The conductor of the inner pipe of the sensor is divided into several parallel parts, which causes a greater increase in the ratio of ohmic resistance to inductance. Also, the inductance of this conductor has been calculated analytically. To design the sensor based on the frequency bandwidth and current pulse characteristics, the sensor design flowchart was proposed and based on that, a current sensor for the MHz frequency bandwidth and a sensor for the GHz frequency bandwidth were designed and then a sample current sensor was made. And by that, the flat current pulse with the amplitude of 146A and the width of 2.5ms and the standard current pulse of 20.8µs with the amplitude of 2kA and the width of 32µs have been accurately measured.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Impulse current
  • skin effect
  • resistance shunt
  • coaxial shunt
  • manganin

مراجع

 
[1] پ. پورمحمدیان، م. ک. عدالتیان، " بررسی رفتار عایقی روغن معدنی در ولتاژ فرکانس قدرت با حضور نانو لوله‏های کربنی"، مجله برق مهندسی تبریز، دوره 44 شماره 4، زمستان 1393.
[2] ا. عزیزنیا؛ م. ا. حجازی، " مدل‌سازی بار مولدهای توان پالسی در کاربرد الکتروپوریشن با استفاده از طیف‌سنجی امپدانس سلول‌های نرمال و سرطانی ریه انسان" مجله برق مهندسی تبریز، دوره 52 شماره 1، بهار 1401.
[3] M. Hollander, “High frequency oscillations measured with high bandwidth current sensors at low current”, Hollander Reserch delivers the power to test, pp. 1–19, 11 April 2014.
[4] P. Ieee and S. Energy, “4-2013 IEEE Standard for High-Voltage Testing Techniques IEEE Power and Energy Society”, I IEEE Power and Energy Society . May. 2013.
[5] C. M. Johnson and P. R. Palmer, “Current measurement using compensated coaxial shunts”, IEE Proceedings Science Measurement and Technology, Vol. 141, No. 6, pp. 471–480, 1994.
[6] T. Kawamura, E. Haginomori, Y. Goda, and T. Nakamoto, “Recent developments on high current measurement using current shunt”, IEEJ Transaction Electric Electronic Engineering, Vol. 2, No. 5, pp. 516–522, 2007.
[7] P. F. Baranov, V. N. Borikov, E. I. Tsimbalist, “Measurement of the Current Transfer Function for Power Transducers of Current to Voltage”, Applied Mechanics and Materials, Vol. 75, No.6, pp. 615-621, 2015.
[8] A. Milicevi, P. Mostarac, “Simulated Annealing Characterization of Equivalent Circuit Models for Precision Coaxial Current Shunts”, 2nd International Colloquium on Smart Grid Metrology, Split, Croatia, April 9-12, 2019.
[9] E.V. Bedareva, E.I. Tsimbalist, A.A. Epifanova, N.A. Gavrilenko, “Consideration of Complementary Error During Design of the Alternating Current Coaxial Shunts”, International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems, 01-04 December 2015.
[10] M. Malinowski, K. Kubiczek, M. Kampik, K. Musioł, M. Grzenik, K. Dudzik and W. Domański, “A Precision Coaxial Low-Current Shunt with Improved Mathematical Model“, Proceedings of the 13th International Conference MEASUREMENT, Smolenice, Slovakia, 17-19 May 2021.
[11] W. F. PRAEG, “Stress Sensitivity 0f Manganin Resistor in High-Current Precision Coaxial Shunt“, IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, VOL. 5, NO. 4, DECEMBER, 1966.
[12] W. Zhang, Z. Zhang, F. Wang, “Review and Bandwidth Measurement of Coaxial Shunt Resistors for Wide-Bandgap Devices Dynamic Characterization”, IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 29 September – 03 October, 2019.
[13] H. A. Wheeler, “Formulas for the Skin Effect”, IEEE Proceedings of the I.R.E., Vol. 30, No. 9, pp. 412–424, Sebtember, 1942.
[14] Omar M. O. Gatous, and J. Pissolato Filho, “A New Fomulation for Skin-effect Resistance and Internal Inductance Frequency-Dependent of a Solid Cylindrical Conductor”, IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America, 2004.
[15] A. M. CLOGSTON, ‘Reduction of Skin Effect Losses by the Use of Laminated Conductors,’ The Bell System Technical Journal, July, 1951.
[16] H. Lutzen,V. Polezhaev, K. B. Rawal, K. Ahmmed, T. Huesgen, N. Kaminski, “Temperature Compensated M-Shunts for Fast Transient and Low Inductive Current Measurements”, 12th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, Berlin, Germany, 15-17 March 2022.
[17] C. D. New, A. N. Lemmon and B. T. DeBoi, “Sensitivities in High-Bandwidth, High-Current Shunt Measurements for Silicon-Carbide Multi-Chip Power Modules”, IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, Houston, TX, USA, 20-24 March 2022.
[18] K. Schon, “High Impulse Voltage and Current Measurement Techniques”, Springer International Publishing Switzerland 2013.
[19] G. Ventura, S. Giomi, “Thermal Conductivity of Manganin Between 10 mK and 54 mK”, Int. J. Thermophys, Vol. 38, pp 1-5, 2017.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار