پایان نامه بررسی ترانسهای ولتاژ نوری

دسته: پژوهش ها

فرمت فایل: doc

حجم فایل: 1485 کیلوبایت

تعداد صفحات فایل: 70

پایان نامه بررسی ترانسهای ولتاژ نوری

مقدمه:

اندازه گیری ولتاژ یک سیستم قدرت دارای اهمیت بالایی است . دانستن مقدار ولتاژ برای محاسبه مقدار توان سیستم ، حفاظت و موارد دیگر لازم است . در حال حاضر در شبکه های قدرت اندازه گیری ولتاژ توسط ترانسفورماتور ولتاژ القایی یا خازنی صورت می گیرد . در چند سال اخیر ترانسفور ماتورهای ولتاژ نوری در موارد زیادی جایگزین ترانسفور ماتورهای معمولی شده است .

برای اندازه گیری ولتاژ به کمک المانهای نوری ، می توان از دو اثر کر و پاکلز بهره برد . همانطور که مشاهده شد اثر کر با مجذور میدان الکتریکی و اثر پاکلز با توان اول میدان رابطه دارد . این تفاوت باعث شده که در ساخت ترانسفورماتور ولتاژ نوری بیشتر از اثر پاکلز استفاده شود . در ادامه هر دو این اثرها را به طور کاملتر بررسی کرده و مشخصات ترانسفور ماتور ولتاژی که بر اساس هر یک از این اثرها ساخته می شود بدست آورده و با یکدیگر مقایسه می شوند . همچنین مشخصات و کارایی این ترانسفور ماتورها بیان می شود . ( در اینجا از OPT به جای ترانسفور ماتور ولتاژ نوری استفاده می شود ) .

6-1- OPT براساس اثر کر

مطابق اثر کر، اگر یک پرتو نور خطی به ماده ای که اثر کر دارد و در یک میدان الکتریکی قرار گرفته است بتابد ، تاخیر فاز بین پرتو ورودی و خروجی ایجاد می شود که برابر است با :

( 6-1 )

که در این رابطه ، ولتاژ اعمال شده ، فاصله بین دو الکترود تولید کننده میدان ، طول مسیر نور در ماده کر و ضریب کر است . در مودر اثر کر ، میدان الکتریکی باید بر جهت انتشار عمود باشد . حال اگر بتوان به طریقی مقداررا اندازه گرفت ، در آن صورت ولتاژ اعمال شده به ماده کر مشخص می شود . برای بدست آوردن سیستم مدولاسیون شدت نور انتخاب می گردد . برای بدست آوردن رابطه تئوری بین شت نور خروجی از سیستم کر و زاویه ، روش مولر بکار گرفته می شود . سیستم کری که در اینجا استفاده می شود متشکل از دو قطبشگر و یک سلول کر ( ماده ای که از خود اثر کر نشان می دهد ) است . اگر زاویه محور قطبشگر اول نسبت به جهت انتشار نورº 135 و زاویه قطبشگر دوم یا آنالیز کنندهº 45باشد (اختلاف زاویه بین محورانتقالشانْ90 می شود) بردار پرتو نور خروجی با توجه به محاسبات ماتریسی مولر که در ضمیمه توضیح داده شده است برابر است با :

( 6-2 )

که برابر نور غیر پلاریزه ورودی است که همراه باماتریسهای قطبشگر و کر در ضمیمه دو معرفی شده اند . با انجام محاسبات رابطه 6-2 بردار نور خروجی از سیستم کر برابر است با :

( 6-3 )

بنابراین شدت نور خروجی از قطبشگر دوم برابر می شود با :

( 6-4 )

که شدت نور ورودی یا ماکزیمم شدت نور است . اگر را از معادله 6-1 در معادله 6-4 جایگذاری کنیم داریم :

( 6-5 )

این معادله را می توان به صورت زیر هم نوشت :

( 6-6 )

که : ( 6-7 )

ضریب سلول کر نامیده می شود که به ضریب کر و ابعاد هندسی سلول بستگی دارد . با توجه به رابطه ( 6-7 ) ، مشاهده می شود که شدت نور خروجی با ولتاژ رابطه غیر خطی دارد . در شکل 6-1 الف رابطه بر حسب ولتاژ برای یک سلول کر که از ماده نیتروبنزن با طولmm30 و پهنای mm10 ساخته شده است ، نشان داده شده است . از این شکل هم غیر خطی بودن خروجی نسبت به ولتاژ اعمال شده کاملاً مشخص است . به علاوه چون ثابت کر نیتروبنزن خیلی کوچک است ( به طور کلی ثابت کر اکثر مواد خیلی کوچک است ) ، در ولتاژهای پایین شدت نور خروجی درحد صفر است . بنابراین استفاده اثر کر برای ساخت OPTچندان مناسب نیست .

اگر در آرایش سیستم کر اصلاحاتی صورت گیرد و یک تیغه ربع موج در یک طرف سلول کر با زاویه های 90 درجه قرار داده شود ، شدت نور خروجی با رابطه ای تقریباً خطی پیدا می کند که به صورت زیر است :

( 6-8 )

اما باز هم شدت نور با ولتاژ رابطه غیر خطی دارد . در شکل 6-1 ب ، رابطهدر سیستم اصلاح شده برحسب ولتاژ رسم شده است . از شکل مشخص می شود که سیستم کر کاملاً غیر خطی است و حتی در ولتاژ های کم ، توان خروجی از سیستم ، حالت تناوبی به خود می گیرد که در اینصورت تشخیص کار سختی است .

6-2-OPT بر اساس اثر پاکلز

همانطور که دیده شده اثر کر با ولتاژ رابطه غیر خطی دارد و نیز ثابت کر اکثر مواد خیلی کوچک است که باعث می شود در ولتاژهای کم دقت OPT افت کند و با توجه به این مشکلات استفاده از اثر پاکلز مناسب است زیرا این اثر با توان اول ولتاژ رابطه دارد . در حال حاضر ، اکثر OPTها بر اساس اثر پاکلز طراحی می شوند . در ادامه این بخش ، این نوعOPT به طور کامل بررسی می شود .

6-2- 1- اصول کار OPT

اساس کار تقریبا تمامیOPT های موجود بر اثر پاکلز بنا نهاده شده است که در فصل 5 به طور کامل توضیح داده شد . در اینجا برای یادآوری به طور خلاصه این اثر شرح داده می شود . مطابق اثر پاکلز ، اگر یک ماده در میدان الکتریکی قرار بگیرد پدیده دو شکستی در آن ظاهر می شود . در اثر ایجاد پدیده دو شکستی ، نور ورودی به دو پرتو نور خطی عمود بر هم تبدیل می شود که دارای سرعتهای متفاوت هستند . بدلیل اختلاف سرعت بین دو پرتو خروجی ، اختلاف فاز بین آنها بوجود می آید که مطابق رابطه زیر با میدان الکتریکی و در نتیجه ولتاژ رابطه مستقیم دارد :

( 6-9 )

که ضریب شکست ماده ، ثابت پاکلز ، طول موج نور و ولتاژ تولید کننده میدان الکتریکی و ولتاژ نیم موج است . در اینجا فرض شده است که میدان توسط دو الکترود تخت ایجاد می شود و میدان در راستای مسیر انتشار نور است . اگر میدان در راستای مسیر نور نباشد مقدار به طول سلول وابسته می شود . حال اگر بتوان این اختلاف فاز ایجاد شده را به طریقی اندازه گرفت ولتاژ اعمال شده به الکترودها براحتی محاسبه می شود . برای انجام این کار می توان از سیستم مدولاسیون شدت نور بهره برد .

6-2-2- سیستم مدولاسیون شدت نور در OPT

یکی از روشهای متداول برای بدست آوردن اختلاف فاز ایجاد شده توسط اثر پاکلز استفاده از سیستم مدولاسیون شدت نور است . این سیستم شدت نور خروجی از سلول پاکلز را به اختلاف فاز ایجاد شده ربط میدهد و سپس با پردازش شدت نور خروجی از سیستم ، ولتاژ معین می شود . در شکل 6-2 آرایش یکOPT که بر اساس سیستم مدولاسیون شدت نور عمل می کند ، نشان داده شده است . قطبشگر اول نور ورودی را به نور خطی تبدیل می کند و سپس وارد سلول پاکلز می شود و پس از خروج از آن وارد قطبشگر دوم شده تا تغییرات ایجاد شده در آن نمایان شود . اگر زاویه قطبشگر اول 45 درجه و زاویه قطبشگر دوم 135 درجه باشد از روش مولر داریم :

( 6-10 )

که ماتریس معرف اثر پاکلز ا ست ، که در ضمیمه بررسی شده است . با انجام محاسبات این رابطه ، شدت نور خروجی برابر می شود با :

( 6-11 )

با جایگذاری در این معادله داریم :

( 6-12 )

اگر چه زاویه پاکلز با توان اول میدان رابطه دارد ، ولی شدت نور خروجی از این سیستم مدولاسیون شدت نور ، رابطه ای خطی با ولتاژ ندارد به همین دلیل در این سیستم تغییری داده شده است که باعث می شود شدت نور با ولتاژ رابطه خطی برقرار کند . این تغییر عبارت است از اضافه کردن یک تیغه ربع موج قبل یا بعد از سلول پاکلز . آرایش یک سیستم اصلاح شده که در آن تیغه ربع موج قبل از سلول پاکلز قرار گرفته است ، در شکل 6-3 رسم شده است . تیغه ربع موج ، نور خطی ورودی به آن را به نور دایره ای تبدیل می کند . این نور پس از خروج از تیغه ربع موج ، وارد سلول پاکلز می شود و به صورت نور بیضوی در می آید . میزان بیضوی شدن نور دایره ای رابطه مستقیمی با ولتاژ دارد . برای این آرایش بردار نور خروجی از رابطه زیربدست می آید :

( 6-13 )

که ماتریس تیغه ربع موج است که در ضمیمه معرفی شده است . در این آرایش زاویه محور تیغه صفحه ربع موج با مسیر نور ْ90 است . شدت نور خروجی از سیستم اصلاح شده برابر است با :

( 6-14 )

سیستم اصلاح شده پاکلز

در آرایش اصلاح شده دوم ، تیغه ربع موج بعد از سلول پاکلز قرار داده می شود . زاویه های محور تیغه ربع موج و قطبشگرها مانند آرایش اول است . در این مورد نور خروجی از سلول پاکلز وارد تیغه می شود و اختلاف فاز ایجاد شده توسط اثر پاکلز به اندازه افزایش می یابد . بردار نور خروجی از رابطه زیر بدست می آید :

( 6-15 )

با انجام محاسبات این رابطه ، برای شدت نور خروجی از قطبشگر دوم همان رابطه 6-14 دست می آید که نشان می دهد این دو آرایش از لحاظ شدت نور خروجی با هم یکسان هستند بنابراین مشاهده می شود که با تغییر آرایش سیستم پاکلز ، شدت نور خروجی رابطه ای خطی با ولتاژ پیدا می کند .(رابطه 6-14)

6-2-3- مدار پردازش سیگنال در OPT

شدت نور خروجی از سیستم پاکلز در قسمت قبل بدست آمد ، این سیگنال سپس وارد قسمت آشکار ساز نوری می شود و به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود . حال باید با پردازش این سیگنال مقدار را بدست آورد . در اینجا فقط نتایج روشهای پردازش این سیگنال برای ترانسفور ماتور ولتاژ بیان خواهد شد .

برای OPT های اثر کر، ولتاژ خروجی مدار پردازش سیگنال برای آرایش اصلاح نشده آن برابر است با :

( 6-16 )

و برای آرایش اصلاح شده برابر می شود با :

( 6-17 )

همچنین برای OPT های اثر پاکلز همین رابطه ها صادق است و فقط باید با جایگزین شود .

6-2-4- مواد سازنده سلول پاکلز

بلور های زیادی وجود دارند که اثر الکترو نوری پاکلز از خود نشان می دهند که میان آنها می توان از، ،، و نام برد . از میان این مواد ، بیشتر از و برای ساخت سلول پاکلز استفاده می شود . در این میان ، بدلایل زیر بر مواد دیگر ارجحیت دارد :

1ـ در مقایسه با و ، وابستگی حرارتی اثر پاکلز در کوچک است .

2ـ چون هیچ توان گردان نوری ندارد ، می توان ضخامت سلول را زیاد گرفت تا تحمل عایقی آن زیاد شود .

3ـ ثابت دی الکتریک حدود 16 است و مقاومت ویژه آن هم حدود 15 10است . بنابراین ، با توجه به کوچک بودن ثابت دی الکتریک و بزرگ بودن مقاومت ویژه ، توزیع ولتاژ اعمال شده بندرت توسط سنسور آشفته می شود .

بعد از ، استفاده از رایج تر است . یکی از تفاوتهای نسبت به داشتن توان گردان نوری است که رابط اختلاف فاز ایجاد شده توسط سلول پاکلز را پیچیده تر می کند . در صورت استفاده از این ماده در سلول پاکلز هر دو پدیده دو شکستی و چرخش صفحه پلاریزاسیون نور ورودی ، بطور همزمان اتفاق می افتد .

قبلاً در بخش (5-2) حالت ایجاد همزمان پدیده دو شکستی و چرخشی فارادی شد و در معادله (5-16) رابطه مربوط به این حالت آورده شد . چون چرخش فارادی شباهت زیادی به توان گردان نوری دارد می توان از همان رابطه (5-16) در این مورد خاص هم استفاه کرد . بنابراین اگرسلول پاکلز از ساخته شده باشد و از این سلول در سیستم مدولاسیون شدت نور با آرایش اصلاح شده استفاده شود ، شدت نور خروجی از سنسور با رابطه های زیر بیان می شود :

( 6-18 )

( 6-19 )

( 6-20 )

( 6-21 )

ولتاژ نیم موج است که برابر با 6800 ولت است و توان گردان نوری و عرض سلول پاکلز است . در ضمن به ضریب مدولاسیون گفته می شود که این اصطلاح در مورد سایر OPT ها هم بکار برده می شود .

6-3- مشخصات OPT

برای پی بردن به کارآیی ترانسفور ماتور ولتاژ نوری ، باید مشخصات و نحوه کار آنها مشخص باشد . از جمله این مشخصات مشخصه خروجی و حرارتی آنهاست که نقش مهمی در کار آیی آنها دارند . در این بخش ، مشخصات خروجی OPT های اثر کر و پاکلز بررسی و با هم مقایسه می شوند . همچنین تاثیر حرارت را روی اثر پاکلز مشاهده کرده و راههایی برای کاهش تاثیر حرارت در بعضی موارد خاص ارایه می شود .

6-3-1- مشخصه خروجی OPT

مشخصه خروجیOPT ، بصورت ولتاژ خروجی مدار پردازش سیگنال برحسب ولتاژ اعمال شده بیان می شود . این مشخصه تابعی سینوسی برحسب یا است . در جدول (6-1) توابع خروجی OPT های اثر کر و پاکلز آمده است و مقادیر تقریبی هر مشخصه هم بیان شده است .

آرایش اصلاح شده آرایش اصلاح نشده نوع OPT
OPT اثر کر
OPT اثر پاکلز

جدول (6-1) : توابع معرف مشخصه خروجی OPT

داشتن مشخصه خروجی خطی از شرایط مهم برای کارایی بهترOPT است . اگر به توابع تقریبی که در جدول ( 6-1 ) داده شده است توجه شود ، مشاهده می شود که تنها اثر پاکلز با آرایش اصلاح شده دارای مشخصه خطی است و در بقیه موارد مشخصه غیر خطی است . بنابراین ، OPT اثر پاکلز با آرایش اصلاح شده بهترین نوع OPT است و در اکثر ترانسفور ماتورهای ولتاژ نوری از این آرایش استفاده می شود . از این شکل مشخص است که تنها مشخصه OPT اثر پاکلز با آرایش اصلاح شده نسبتاً خطی است و در بقیه موارد ، مشخصه ها کاملاً غیر خطی است .

از ویژگیهای دیگر OPT ، محدوده دینامیکی عملکرد آنهاست که می توان همان محدوده خطی OPT در نظر گرفت . برای نمونه محدوده کار خطی برای OPT اثر پاکلز با آرایش اصلاح شده که در شکل ( 6-4 ) مشخصه آن رسم شده است ، حدود 4000 ولت است که می توان بطور تقریبی برابر با محدوده دینامیکی OPT در نظر گرفت .

مشخصه خروجی OPT به عواملی مانند ثابت کر و پاکلز که به نوع ماده بستگی دارد ، طول سلول کر وپاکلز و فاصله دو الکترود که میدان الکتریکی را ایجاد می کند بستگی دارد . البته در اثر پاکلز در مد طولی آن ، تنها با رابطه دارد و در نتیجه مشخصه خروجی تنها به وابسته می شود .

عبارات کلیدی

  • پایان نامه بررسی ترانسهای ولتاژ نوری
  • پایان نامه بررسی ترانسهای ولتاژ نوری
  • بررسی ترانسهای ولتاژ نوری
  • تحقیق بررسی ترانسهای ولتاژ نوری
  • پروژه بررسی ترانسهای ولتاژ نوری
  • مقاله بررسی ترانسهای ولتاژ نوری

خرید فایل

ارسال شده در