6.7. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ БЫСТРОМЕНЯЮЩИХСЯ ТОКОВ С ПОМОЩЬЮ БЕЗЫНДУКТИВНЫХ (МАЛОИНДУКТИВНЫХ) ШУНТОВ

Требования к шунтам для измерения токов в цепях, где применяются СПП, вытекают из основных параметров приборов. Из гл. 2 следует, что необходимо измерять токи до нескольких тысяч ампер, нарастающие со скоростью до . Несмотря на то что ударные токи современных СПП могут достигать десятков килоампер, здесь их рассматривать не будем, так как они имеют длительность от единиц до нескольких миллисекунд, т. е. относятся к относительно медленным процессам, для которых применимы стандартные шунты постоянного тока, выпускаемые промышленностью (типа НШ).

Рис. 6.20. Конструкция малоиндуктивного шунта типа «беличье колесо»: - резистор типа МОН

Рис. 6.21. Два типа реакции шунта RS на ступенчатый импульс тока: а — индуктивная; б — емкостная

К сожалению, стандартные шунты, рассчитанные на измерение импульсных токов с указанными выше параметрами, в СССР не выпускаются, что ведет к необходимости их кустарного изготовления. В настоящее время в силовой электронике наибольшее распространение получили две конструкции таких шунтов: коаксиальная и типа «беличье колесо» . Ряд конструктивных решений описан в [6.4]. Теоретические аспекты измерения шунтами быстроменяющихся токов, а также способы их правильного подключения описаны в [6.5, 6.6], причем в [6.6] приведена обширная библиография зарубежных работ по этим вопросам. На рис. 6.4, 6.20 приведены две простейшие практические конструкции шунтов: одна — коаксиального типа, другая — типа «беличье колесо», вполне доступные для изготовления в любых условиях. Шунт, показанный на рис. 6.4, имеет сопротивление Ом. Шунт, показанный на рис. 6.20, имеет сопротивление 0,1 Ом. Основную трудность представляет не само изготовление шунта того или иного типа, а определение его динамических характеристик (или, другими словами, погрешности измерений с его помощью). Не вдаваясь в теоретические тонкости, отметим следующее.

Из [6.5, 6.6] вытекает, что при подаче на шунт ступенчатого импульса тока сигнал на выходе может иметь вид, показанный на рис. 6.21, а, б.

Рис. 6.22. Реакция и эквивалентная схема замещения шунта, имеющего индуктивный характер

Рис. 6.23. Реакция и эквивалентная схема замещения шунта, имеющего емкостный характер

В случае рис. 6.21, а реакция шунта носит индуктивный характер, в случае рис. -емкостный. Это следует из того, что при подаче указанного выше импульса тока на последовательно соединенные сопротивление и индуктивность они дают сигнал, показанный на рис. 6.22, а при подаче того же импульса на параллельно соединенные сопротивление и емкость получается сигнал, показанный на рис. 6.23.

Рис. 6.24. Переходные характеристики, соответствующие формуле

Строго говоря, реальный шунт может моделироваться сколь угодно сложным набором из r, L и С [6.6]. Согласно [6.5] для инженерных оценок рекомендуется брать переходную характеристику шунта в виде , т. е. в виде кривых я или б на рис. 6.24.

Такая рекомендация связана с тем, что при более сложных выражениях расчеты практически невыполнимы.

В то же время принятие такого упрощения равносильно принятию либо эквивалентной схемы (рис. 6.22), либо схемы r — С (см. рис. 6.23) (это означает, что шунт в этом приближении моделируется динамическим звеном первого порядка).

Рис. 6.25. Зависимость погрешности шунта от амплитуды измеряемого тока (а) и скорости его нарастания (б)

Следует иметь в виду, что характер реакции шунта зависит не только от его общей конструкции, но и от места подключения потенциальных выводов (см., например, рис. 2.4 в [6.5)]. Поэтому характер реактивности и постоянную времени шунта следует определять экспериментально, не полагаясь на теоретические формулы. Для этого необходим генератор импульсов тока с амплитудой до нескольких сот ампер и фронтом в несколько наносекунд. После того как реакция шунта и его постоянная определены, можно оценить погрешность, с какой данный шунт измеряет те или иные токи. Покажем это на примере шунта, изображенного на рис. 6.20. Как уже говорилось, его сопротивление равно 0,1 Ом. Эксперимент показал, что этот шунт имеет индуктивный характер реактивности и не. В связи с тем что напряжение на шунте (рис. 6.22)

погрешность измерения данным шунтом составляет

На рис. 6.25 показаны зависимости величины от значений . Легко видеть, что эта погрешность тем больше, чем меньше измеряемое нами значение тока (при постоянном ).