Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 2, стр. 157-160

Каткон является пассивным элементом электрической цепи, представляющим четырехполюсник [1–3]. Принцип построения каткона заключается в следующем. Два сложенных вместе длинных проводника (как правило, в виде фольги) изолируются друг от друга диэлектриком, а источник питания подключается к началу первого проводника и к концу второго проводника (входные зажимы). В результате такого подключения источника в проводниках возникают токи проводимости, а в диэлектрике между проводниками – токи смещения, поэтому каткон обладает как индуктивными, так и емкостными свойствами [2]. Выходные зажимы каткона (начало второго проводника и конец первого проводника) могут быть разомкнуты, замкнуты, либо к ним может быть подключена произвольная нагрузка.

Идея создания различных устройств на базе каткона для их применения в электротехнике и радиоэлектронике возникла в 1970-х гг. [3]. В дальнейшем зарубежными и отечественными исследователями рассматривались новые сферы применения катконов: осветительные приборы с самокомпенсацией реактивной мощности, электротермические устройства, индуктивно-емкостные преобразователи, фильтры и т.д. [1–8].

В настоящее время существует множество вариантов практической реализации каткона для различных областей применения в электроэнергетике и электротехнике. Для решения ряда энергетических задач (компенсация реактивной мощности, фильтрация высших гармоник сети, ограничение токов короткого замыкания и т.д.) эффективной является конфигурация каткона, при которой обмотки каткона располагают на немагнитном или магнитном сердечнике, что обеспечивает надежность конструкции и возможность регулировать его свойства и характеристики [7, 9]. В частности, такое конструктивное исполнение каткона позволяет изменять значение его эквивалентной индуктивности, достигать необходимых резонансных частот и реализовывать различные схемотехнические решения для разнообразных инженерных задач [9].

Авторы статьи продолжительное время изучают возможность создания многофункциональных устройств с улучшенными массогабаритными показателями на базе каткона, что отражено в ряде авторских исследований [2, 9]. Однако данные исследования были направлены на анализ установившихся режимов работы каткона. Это, в свою очередь, делает актуальным изучение особенностей переходных процессов в катконе, поэтому в настоящей работе ставится задача исследования переходных процессов при импульсном воздействии на каткон при различных нагрузках.

Схема физической модели каткона, представленная на рис. 1, подробно описана в [9]. При исследовании переходных процессов ко входу устройства между зажимами Н₁ и К₂ (рис. 1) подключался источник напряжения с импульсным сигналом (меандром) с частотой 15.5 Гц и максимальным значением напряжения U_max = 1 В, к выходным зажимам физической модели Н₂ и К₁ подключалась нагрузка (конденсатор, индуктивная катушка, резистор). Для получения осциллограмм переходных процессов использовался программно-технический комплекс DeltaProfi [10], обеспечивающий цифровую обработку исследуемых сигналов. В результате были получены осциллограммы входного напряжения и тока (при подключении в качестве нагрузки конденсатора с емкостью C_н = 4.7 мкФ, индуктивной катушки с индуктивностью L_н = 65 мГн и резистора с сопротивлением R_н = 200 Ом), представленные на рис. 2–4. Кроме того, были получены осциллограммы входных и выходных напряжений и токов и при других значениях C_н, L_н, R_н.

Рис. 1.

Схема физической модели каткона (С₁ и С₂ – первая и вторая секции, выполненные из двух одинаковых проводов в виде алюминиевой фольги и соединенные между собой последовательно; Н₁, К₁, Н₂, К₂ – выводы секций С₁ и С₂; М₁ и М₂ – П-образные участки магнитопровода; НЗ – регулируемые по длине немагнитные зазоры (общая длина НЗ в рамках эксперимента 1.2 мм)).

Рис. 2.

Осциллограммы мгновенных значений входного напряжения и входного тока в физической модели каткона при импульсном воздействии источника напряжения (к выходным зажимам физической модели каткона подключен конденсатор емкостью C_н = 4.7 мкФ).

Рис. 3.

Осциллограммы мгновенных значений входного напряжения и входного тока в физической модели каткона при импульсном воздействии источника напряжения (к выходным зажимам физической модели каткона подключена индуктивная катушка индуктивностью L_н = 65 мГн).

Рис. 4.

Осциллограммы мгновенных значений входного напряжения и входного тока в физической модели каткона при импульсном воздействии источника напряжения (к выходным зажимам физической модели каткона подключен резистор сопротивлением R_н = 200 Ом).

Результаты эксперимента и анализ полученных осциллограмм позволили определить характер и особенности переходных процессов на входе физической модели каткона:

– при 0 < R_н < 200 Ом – апериодический переходной процесс (цепь второго порядка); на входе и выходе кривые тока изменяются скачком;

– при R_н = 200 Ом (сопротивление нагрузки равно волновому сопротивлению каткона) – переходной процесс практически не наблюдается (цепь второго порядка);

– при R_н > 200 Ом – колебательный переходной процесс (цепь второго порядка); на входе кривая тока не изменяется скачком, на выходе кривые тока и напряжения изменяются скачком;

– при R_н → ∞ – колебательный переходной процесс (цепь второго порядка); на входе кривая тока не изменяется скачком, на выходе кривые напряжения и тока изменяются скачком;

– при R_н → 0 – апериодический переходной процесс (цепь второго порядка); кривые тока на входе и выходе не изменяются скачком;

– при увеличении значения емкости конденсатора C_н в диапазоне от 3.3 до 82 мкФ на входе физической модели каткона наблюдается увеличение максимального значения тока и периода свободных колебаний (цепь третьего порядка, выражение для преходящей составляющей входного тока в общем виде: i_прех = Ae^–αtsin(ω_свt + Ψ_св) + Be^pt, при этом ω_св, α и p по модулю примерно одного порядка; A, B, Ψ_св (°) – постоянные интегрирования, ω_св (рад ∙ с^–1) – циклическая частота свободных колебаний, α (с^–1) и p (с^–1) – коэффициент затухания и вещественный корень характеристического уравнения); кривая тока на входе и кривая напряжения на выходе не изменяются скачком;

– при увеличении значения индуктивности индуктивной катушки L_н в диапазоне от 43.3 до 130 мГн на входе физической модели каткона наблюдается увеличение максимального значения тока и периода свободных колебаний (цепь третьего порядка, выражение для преходящей составляющей входного тока в общем виде: i_прех = = Ae^–αtsin(ω_свt + Ψ_св) + Be^pt, при этом по модулю ω_св $ \gg $ α и ω_св $ \gg $ p); кривая тока на входе не изменяется скачком, а кривая напряжения на выходе изменяется скачком.

В заключение отметим, что в рамках настоящей работы впервые были получены экспериментальные осциллограммы кривых тока и напряжения на входе и выходе каткона при импульсном воздействии источника напряжения, описаны характер и особенности переходных процессов в катконе при различных видах нагрузки, подключенной к нему.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-08-00730-а.