CN110376466B - 一种阻尼振荡波产生电路、方法及阻尼振荡发生器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种阻尼振荡波产生电路、方法及阻尼振荡发生器，具体包括直流电源、第一电阻、第二电阻、第一电容、第一电感、第一开关和第二开关；直流电源接通后，第一开关在第一预设时刻分闸，第二开关在第一预设时刻合闸；预先设定直流电源电压、所需振荡波频率、振荡系数和第二电阻的值，根据所需振荡波频率、振荡系数和第二电阻的值确定第一电容和第一电感的数值；所述第二电阻的两端得到一个频率为所需振荡波频率的阻尼振荡波；本公开所述的内容能够可靠高效的产生比以往更高频的阻尼振荡波，如3MHz、10MHz、30MHz高频阻尼振荡波，从而实现了更高频的抗扰度检测。

Description

一种阻尼振荡波产生电路、方法及阻尼振荡发生器

技术领域

本公开涉及电磁兼容领域，特别涉及一种阻尼振荡波产生电路、方法及阻尼振荡发生器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

变电站在开关操作瞬间会产生一个类似阻尼振荡波的电磁骚扰波形，并通过传导的方式耦合至二次回路中，甚至能够干扰二次设备的输出信号。为了保证二次设备在如此复杂的电磁环境中能够正常工作，需要在生产过程中对其进行阻尼振荡波抗扰度测试。现有抗扰度考核标准GB/T 17626.12-1998中对标准阻尼振荡波进行了定义，以往均采用此标准对保护设备进行考核。现有的阻尼振荡波发生器一些特性及参数具体为：电压上升时间(第一峰值)：75ns±20％；振荡频率：100kHz和1MHz±10％；衰减：第三到第六周期之间减至峰值的50％；峰值开路电压：250V(-10％)到2.5kV(±10％)，产生的阻尼振荡波的波形如图1所示。

本公开发明人在研究中发现，现有的阻尼振荡波发生器均采用的是0.1M和1M的频率，在抗扰度测试标准更新后，阻尼振荡波的频率也大大地提升了，增加了3M、10M和30MHz的考核波形，实际测量中也发现了开关操作会在二次设备上产生1M以上的高频骚扰，因而在以后二次设备的抗扰度测试中须采用更高频率的阻尼振荡波发生器，然而目前并没有可靠的产生3M、10M和30MHz等更高频率的阻尼震荡波的方法。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种阻尼振荡波产生电路、方法及阻尼振荡发生器，能够可靠高效的产生比以往更高频的阻尼振荡波，从而实现了更高频的抗扰度检测。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

第一方面，本公开提供了一种阻尼振荡波产生电路；

一种阻尼振荡波产生电路，包括直流电源、第一电阻、第二电阻、第一电容、第一电感、第一开关和第二开关，所述直流电源的正极输出端通过第一电阻与第一开关的一端连接，所述第一开关的另一端分成两路，一路连接至第一电容的正极，第一电容的负极连接至直流电源负极，另一路依次通过串联的第二开关、第一电感和第二电阻后连接至第一电容的负极，所述直流电源的负极和第一电容的负极均接地。

第二方面，本公开提供了一种阻尼振荡波产生方法；

利用本公开所述的阻尼振荡波产生电路，步骤如下：

直流电源接通后，第一开关在第一预设时刻分闸，第二开关在第一预设时刻合闸；

预先设定直流电源电压、所需振荡波频率、振荡系数和第二电阻的值，根据所需振荡波频率、振荡系数和第二电阻的值确定第一电容和第一电感的数值；

将直流电源电压、第二电阻、第一电容和第一电感的值代入本公开所述的电路中，在第二电阻的两端得到一个频率为所需振荡波频率的阻尼振荡波。

作为可能的一些实现方式，所述振荡系数为衰减系数与所需振荡波频率的比值，即

其中ξ为衰减系数，f为所需振荡波频率。

作为进一步的限定，衰减系数的计算方法为：

其中，R₂为第二电阻的电阻值，L为第一电感的电感值。

作为可能的一些实现方式，所述振荡系数k的取值范围为：0.16＜k＜0.34。

作为可能的一些实现方式，第二电阻两端的电压为：

其中，f为所需振荡波频率，k为振荡频率，ζ为衰减系数，ω₀为振荡频率，u_C为第一电容两端的电压，C为第一电容的电容值，i为流过第二电阻的电流。

作为进一步的限定，根据第二电阻两端的电压得到第二电阻两端第n个(n＞1)峰值的电压为：

进一步的，

作为更进一步的限定，开路情况下第二电阻两端电压的第五个峰值大于第一个峰值的一半，第十个峰值小于第一个峰值的一半，即e^-2ζT＞50％，

其中T为阻尼振荡周期。

作为可能的一些实现方式，第一电容和第一电感的计算公式为：

其中，f为所需振荡波频率，k为振荡频率，R₂为第二电阻的电阻值。

第三方面，本公开提供了一种阻尼振荡发生器，包括本公开所述的阻尼振荡波产生电路，并利用本公开所述的阻尼振荡波产生方法进行电路参数的计算。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开所述的内容通过设置阻尼振荡波产生电路，并通过计算获得第一电容和第一电感的值，能够可靠高效的产生比以往更高频的阻尼振荡波，从而实现了更高频的抗扰度检测。

本公开所述的电路结构和参数计算方法非常简单，只需要预先设定一定的参数值，即可快速的计算出第一电容和第一电感的值，从而快速的产生需要的高频阻尼振荡波。

本公开所述的内容能够根据预先设定的振荡波频率，获得相应频率的振荡波，其准确度较高，以所需的振荡波频率作为电路参数用于计算第一电容和第二电容的值，进一步的提高了产生的高频阻尼振荡波的准确度。

附图说明

图1为现有的阻尼振荡发生器产生的阻尼振荡波的波形示意图。

图2为本公开实施例1所述的阻尼振荡波产生电路示意图。

图3为本公开实施例2所述的阻尼振荡波产生方法流程图。

图4(a)为本公开实施例3所述的第二电阻两端产生的电压的时域波形图。

图4(b)为本公开实施例3所述的第二电阻两端产生的电压的频域波形图。

图5(a)为本公开实施例4所述的第二电阻两端产生的电压的时域波形图。

图5(b)为本公开实施例4所述的第二电阻两端产生的电压的频域波形图。

图6(a)为本公开实施例5所述的第二电阻两端产生的电压的时域波形图。

图6(b)为本公开实施例5所述的第二电阻两端产生的电压的频域波形图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1：

如图2所示，本公开实施例1提供了一种阻尼振荡波产生电路，包括直流电源E、第一电阻R₁、第二电阻R₂、第一电容C、第一电感L、第一开关K₁和第二开关K₂，所述直流电源E的正极输出端通过第一电阻R₂与第一开关K₁的一端连接，所述第一开关K₁的另一端分成两路，一路连接至第一电容C的正极，第一电容C的负极连接至直流电源E负极，另一路依次通过串联的第二开关K₂、第一电感L和第二电阻R₂后连接至第一电容C的负极，所述直流电源E的负极和第一电容C的负极均接地。

开关K₁合闸后，电源将对电容C进行充电。随后开关K₁断开，开关K₂合闸，此时在RLC回路中将产生振荡波，而由于电阻R₂的存在，使得振荡波能够衰减。

实施例2：

如图3所示，本公开实施例2公开了一种阻尼振荡波产生方法；

利用实施例1所述的阻尼振荡波产生电路；

确定直流电源接通后开关K₁的分闸时间，K₂在同一时间合闸；

预先设定直流电源电压、所需振荡波频率、振荡系数和第二电阻的值，由于第一电阻的取值不影响第一电感两端的电压峰值，因此，第一电阻可取为任意值，而第二电阻的取值决定了RLC回路中第一电感和第一电容的大小以及在第二电阻两端产生的阻尼振荡波的峰值；

根据所需振荡波频率、振荡系数和第二电阻的值确定第一电容和第一电感的数值；

将直流电源电压、第二电阻、第一电容和第一电感的值代入本公开所述的电路中，在第二电阻的两端得到一个频率为所需振荡波频率的阻尼振荡波。

对实施例1中的振荡波产生电路中的RLC回路列回路电压方程：

-u_C+u_R+u_L＝0 (1-1)

电流方程：

将电流表达式代入回路电压方程中，可得：

假设u_c＝Ae^rt，代入上式中，得：

LCr²+R₂Cr+1＝0 (1-4)

利用求根公式对式(1-4)进行求解，得其解如式(1-5)所示：

假设电容C两端的电压方程为：

假设电容C的充电电压为U，对RLC回路列出初始条件方程：

u_C(0_-)＝u_C(0₊)＝U (1-7)

I(0_-)＝I(0₊)＝0 (1-8)

将式(1-7)、(1-8)代入式(1-6)中，可得电容电压方程中的系数表达式：

故而式(1-6)可表达为式(1-10)：

对于电容电压方程的两个根r₁和r₂，当r₁和r₂为一对实根时，RLC回路是一个非振荡放电过程，只有当r₁和r₂为一对共轭复根时，即

RLC回路才可产生阻尼振荡波。

将衰减系数

和振荡频率

代入r₁、r₂的表达式中，可得r₁＝-ζ+jω₀＝-ωe^-jβ,r₂＝-ζ-jω₀＝-ωe^jβ,其中

因此u_C的表达式可以进一步化简：

从而电阻R₂两端的电压为：

电感L两端的电压为：

由式(1-12)可知，第1个峰值的电压为

(T为阻尼振荡周期)，第n个(n＞1)峰值的电压为

于是有：

即：

根据标准IEC 61000-4-18阻尼振荡波测试部分的要求，开路情况下阻尼振荡波电压的第五个峰值要大于第一个峰值的一半，第十个峰值要小于第一个峰值的一半，即P_K5＞50％P_K1，P_K10＜50％P_K1。因此有e^-2ζT＞50％，

即衰减系数的范围如式(1-16)所示。

0.16f＜ξ＜0.34f (1-16)

因此可以根据实际需要的波形来确定衰减系数的取值。

假定ζ＝kf，其中0.16＜k＜0.34，确定了频率后，ω、T也为已知量。若要得到所需频率的阻尼振荡波，只需求出RLC回路各个参数即可，而三个参数R、L、C又取决于阻尼振荡波的频率和衰减系数，求出L与C分别和R₂的关系式，可以看出确定了频率和L、C、R₂中的任意一个参数，其他两个参数便可以确定；

实施例3：

本公开实施例3公开了一种3MHz阻尼振荡波产生方法，具体为：

利用Matlab软件进行电路仿真来产生一个0.5kV电压等级的3MHz阻尼振荡波。

设开关动作时间为接通电源后1μs，电源电压为8kV，频率f为3MHz，系数k＝0.2，电阻R₂＝10Ω，那么L、C分别为：

在Matlab中仿真得到电阻R₂两端的电压波形如图4(a)和图4(b)所示，从图中可以得出此时在第二电阻R₂两端产生了一个峰值为0.48kV，频率为3MHz的阻尼振荡波。

实施例4：

本公开实施例4公开了一种10MHz阻尼振荡波产生方法，具体为：

利用Matlab软件进行电路仿真来产生一个0.5kV电压等级的10MHz阻尼振荡波。

设开关动作时间为接通电源后1μs，电源电压为8kV，频率f为10MHz，系数k＝0.2，电阻R₂＝10Ω，那么L、C分别为：

在Matlab中仿真得到电阻R₂两端的电压波形如图5(a)和图5(b)所示，从图中可以得出此时在第二电阻R₂两端产生了一个峰值为0.48kV，频率为10MHz的阻尼振荡波。

实施例5：

本公开实施例5公开了一种30MHz阻尼振荡波产生方法，具体为：

利用Matlab软件进行电路仿真来产生一个0.5kV电压等级的30MHz阻尼振荡波。

设开关动作时间为接通电源后1μs，电源电压为8kV，频率f为30MHz，系数k＝0.2，电阻R₂＝10Ω，那么L、C分别为：

在Matlab中仿真得到电阻R₂两端的电压波形如图6(a)和图6(b)所示，从图中可以得出此时在第二电阻R₂两端产生了一个峰值为0.48kV，频率为30MHz的阻尼振荡波。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种阻尼振荡波产生方法，其特征在于，所述方法基于阻尼振荡波产生电路实现，所述阻尼振荡波产生电路包括直流电源、第一电阻、第二电阻、第一电容、第一电感、第一开关和第二开关，所述直流电源的正极输出端通过第一电阻与第一开关的一端连接，所述第一开关的另一端分成两路，一路连接至第一电容的正极，第一电容的负极连接至直流电源负极，另一路依次通过串联的第二开关、第一电感和第二电阻后连接至第一电容的负极，所述直流电源的负极和第一电容的负极均接地；

直流电源接通后，第一开关在第一预设时刻分闸，第二开关在第一预设时刻合闸；

根据所需振荡波频率、振荡系数和第二电阻的值确定第一电容和第一电感的数值；

所述第二电阻的两端得到一个频率为所需振荡波频率的阻尼振荡波；所述振荡系数为衰减系数与所需振荡波频率的比值，即

其中ξ为衰减系数，f为所需振荡波频率；

其中，R₂为第二电阻的电阻值，L为第一电感的电感值；根据第二电阻两端的电压得到第二电阻两端第n个峰值的电压为：

U为第一电容的充电电压，ω₀为振荡频率；

开路情况下第二电阻两端电压的第五个峰值大于第一个峰值的一半，第十个峰值小于第一个峰值的一半，即e^-2ζT＞50％，

其中T为阻尼振荡周期；

第一电容和第一电感的计算公式为：

2.如权利要求1所述的阻尼振荡波产生方法，其特征在于，将直流电源电压、第二电阻、第一电容和第一电感的值代入权利要求1所述的电路中，在第二电阻的两端得到一个频率为所需振荡波频率的阻尼振荡波，直流电源电压、所需振荡波频率、振荡系数和第二电阻的值为预先设定的数值。

3.如权利要求1所述的阻尼振荡波产生方法，其特征在于，所述振荡系数k的取值范围为：0.16＜k＜0.34。

4.如权利要求3所述的阻尼振荡波产生方法，其特征在于，第二电阻两端的电压为：

其中，ζ为衰减系数，ω₀为振荡频率，u_C为第一电容两端的电压，C为第一电容的电容值，i为流过第二电阻的电流。

5.一种阻尼振荡发生器，其特征在于，利用权利要求1-4任一项所述的阻尼振荡波产生方法进行电路参数的计算。

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