دانلود مقاله مبدل های نوری

اختصاصی از فی بوو دانلود مقاله مبدل های نوری دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

مبدل های نوری

تقویت‌کنندهٔ نوری وسیله‌ای است که سیگنال نوری را - بدون نیاز به تبدیل آن به سیگنال الکتریکی - تقویت می‌کند. تقویت‌کنندهای نوری در مخابرات نوری و فیزیک لیزر کاربرد فراوانی دارند.

تقویت‌کنندهٔ نوری لیزری
به طور کلّی هر مادهٔ فعال که دارای ناحیهٔ بهره باشد و بتواند نور لیزری ایجاد کند را می‌توان به گونه‌ای پمپ کرد که یک سیگنال نوری در همان طول موج لیزر را تقویت کند. چنین تقویت کننده‌های نوری به طور گسترده‌ای برای ساخت سامانه‌های لیزری توان بالا استفاده می‌شوند.
تقویت‌کنندهٔ نوری نیمه‌رسانایی (SOA)
تقویت‌کننده‌های نوری نیمه‌رسانایی گونه‌ای از تقویت‌کننده‌های نوری هستند که برای تولید بهره از مواد نیمه رسانا استفاده می‌کنند. این تقویت‌کننده‌های نوری ساختاری شبیه به دیودهای لیزری فابری-پرو دارند با این تفاوت که در لبه‌های ناحیه بهره از طراحی ضد-بازتاب استفاده می‌شود تا ساختار به جای لیزر، تقویت کننده بشود. در طراحی‌های نوین با استفاده از پوشش‌های ضد بازتاب و موج‌بر کج می‌توان بازتابش نور از دو سطح انتهایی را به کمتر از ۰.۰۰۱% کاهش داد. این کار باعث هدر رفتن توان نور از درون حفره می‌شود، و از آن جا که اندازهٔ این تلفات بیشتر از میزان تقویت سیگنال درون حفره است، این طراحی مانع از ایجاد نوسان درون حفره و کار کرد این ساختار به صورت لیزر می‌شود.
تقویت‌کنندهٔ نوری رامان (Raman)
تقویت‌کنندهٔ نوری پارامتری (OPA)

مبدل¬های نوری جریان در سیستم¬های قدرت

چکیده: برای سنجش جریان تأسیسات فشار قوی و خطوط انتقال نیرو، می¬توان از مبدل¬های نوری جریان استفاده نمود. این مبدل¬ها بر اساس اصول و قوانین فیزیکی عمل می¬نمایند و به عنوان جایگزین CT های معمولی مطرح گردیده¬اند. در این مقاله اصول عملکردی مبدل¬هایی که بر اساس قانون فاراده عمل می¬کنند، مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین برخی از انواع مختلف چنین مبدل¬هایی معرفی شده¬اند و ویژگی¬های عملکردی آنها در مقایسه با ترانسفورماتورهای جریان معمولی مورد ارزیابی قرار گرفته است.
1- مقدمه
در چند سال اخیر پیشرفت فن¬آوری نوری بسیار چشمگیر بوده است، به طوری که این فن¬آوری در رشته¬های مختلف علوم و مهندسی وارد گردیده است. مهندسی برق از این قاعده مستثنی نبوده و امروزه در سطح جهان به خوبی از دستاوردهای این فن¬آوری در صنعت برق استفاده می¬شود، به گونه¬ای که بسیاری از ادوات ساخته شده مراحل تحقیقاتی خود را پشت سر گذارده و به مرحله کاربرد صنعتی رسیده¬اند. در میان کاربردهای مختلف، می¬توان به استفاده از این فن¬آوری در اندازه¬گیری] 1 و 2[، تعیین منطقه بروز خطا در سیستم¬های برقی ]3 – 7 [و ایجاد ارتباطات و مخابرات در شبکه برق]8 و 9[ اشاره نمود. این مقاله به بررسی روش¬های مختلف اندازه¬گیری جریان به طریقۀ نوری در سیستم¬های فشار قوی و ذکر اصول عملکرد هر روش می¬پردازد.
فن¬آوری نوری برای اندازه¬گیری جریان سیستم¬های فشار قوی، برای اولین بار در اواخر دهۀ 1960 به کار گرفته شده] 10 و 11[ و از آن زمان تاکنون پس از سپری مراحل تحقیقاتی به کاربرد عملی رسیده است ]10 [. ذکر این نکته الزامی است که تمامی روش¬های اندازه¬گیری جریان الزاماً بر مبنای تغییر سطح جریان با اصول ترانسفورماتوری نمی¬باشند و در برخی از ادوات نوری اندازه¬گیری جریان یا OCT ها از روش¬های دیگری استفاده می¬شود. این ادوات نوری – الکتریکی تنوع فراوانی دارند. اشکال (الف و ب) قسمت¬های عمدۀ سیستم OCT را نشان می¬دهد. همانطور که ملاحظه می¬شود، تغییر در هر یک از اجزای سیستم منجر به ایجاد یک سیستم جدید می¬گردد. مثلاً حسگر می-تواند نوری یا الکترونیکی باشد، قسمت مرتبط با ولتاژ زیاد می تواند فعال یا غیر فعال باشد، مقره¬ها و عایق¬ها می¬توانند از جنس سرامیک یا پلیمر انتخاب شوند و نیز OCT می¬تواند بر روی مقره نصب یا از آن آویزان باشد، به هر صورت در بیشتر این حالات و شرایط، کمیت اندازه¬گیری شده با استفاده از فیبرهای نوری انتقال می¬یابد. تنوع در نحوۀ انتقال سیگنال¬ها و کدگذاری آنها نیز وجود دارد. سیگنال سنجیده شده می¬تواند به یک رله، ثبات یا ... اعمال شود.

شکل 1 : اجزای اصلی یک سیستم اندازه¬گیری نوری جریان، الف: سیستم سنجش در یک پست فشار قوی که بر روی مقره متصل است ]10[؛ ب: شمای اجزای سیستم سنجش جریان ]5 [

سیستم اندازه¬گیری نوری جریان مزایای زیادی دارد. از آن جمله می¬توان به وزن اندک OCT در مقایسه با CTهای معمولی اشاره نمود. این وزن اندک سبب صرفه¬جویی در عملیات و مصالح نصب تجهیزات می¬گردد. به عنوان مثال در شکل 2 نمونه¬ای از یک OCT که بدون نیاز به مقره اختصاصی بر روی یک سکسیونر (ایزولاتور) نصب شده است مشاهده می¬گردد. مزیت دیگر OCTها پایداری در برابر اغتشاشات است. از سوی دیگر با جایگزین شدن رله¬های دیجیتالی به جای رله¬های الکتروستاتیک و قدیمی،‌ OCT ها را می¬توان به نحو مطلوبی در سیستم استفاده نمود.

2- انواع مختلف مبدل¬های نوری جریان:
روش¬هایی که برای اندازه¬گیری نوری جریان در این مقاله مورد اشاره قرار می¬گیرند، بر اساس میزان شباهت با روش اندازه¬گیری جریان در CT های معمولی ذکر می¬شوند.

2-1 نوع 1؛ CT معمولی با خروجی نوری:
در این روش، که در شکل 3 نشان داده شده است، خروجی ترانس جریان به یک مبدل سیگنال الکتریکی به سیگنال نوری وصل می¬شود. بدین ترتیب از فن¬آوری نوری می¬توان در کنار روش¬های قدیمی سنجش جریان استفاده نمود. به علت آنکه در خروجی این CT ها نیاز به عایق¬سازی فشار قوی همانند CT های معمولی وجود ندارد، می-توان در حجم هادی و عایق صرفه¬جویی نمود. به علاوه به علت اتصال CT به یک مبدل الکترونیکی،‌ توان کم و ثابتی در خروجی آن مصرف می¬شود که این امر منجر به کاهش ابعاد هسته CT می¬گردد. به همین دلیل می¬توان محاسبات طراحی هسته CT را با آزادی بیشتری انجام داد و در این گونه موارد از هسته¬های با فاصله هوایی یا هسته¬های فریت استفاده نمود تا عملکرد پاسخ فرکانسی ترانسفورماتور جریان نیز بهبود یابد.

شکل 2 : نمونه¬ای از یک OCT بر روی سکسیونر متصل می¬شود ]7[

شکل 3 : CT معمولی با خروجی نوری ]10[

2-2- نوع 2؛‌ هسته مغناطیسی و سنجش نوری:
در این روش از یک هسته مغناطیسی دارای فاصلۀ هوایی که هادی را احاطه نموده است، استفاده می¬شود (شکل 4). بدین ترتیب میدان مغناطیسی پیرامون هادی اندازه¬گیری شده و به کمیت معادل نوری تبدیل می¬شود و انتقال می¬یابد. نحوة تبدیل کمیت مغناطیسی به کمیت نوری بر مبنای اثر فاراده صورت می¬پذیرد که در بخش¬های بعدی توضیح داده خواهد شد.

شکل 4 : مبدل نوری جریان با استفاده از هستۀ مغناطیسی ]10[

2-3 – نوع 3 : توده فعال نوری پیرامون هادی:
در این روش،‌ مطابق شکل 5، ماده¬ای که قابلیت تبدیل میدان مغناطیسی به انرژی نوری را دارد، پیرامون هادی قرار داده می¬شود و در داخل آن، همانند سیم¬پیچی CT های معمولی، فیبرهای نوری پیچیده می¬شوند. در این روش یک مسیری نوری بسته،‌ هادی را احاطه می¬نماید.

شکل 5 : مبدل نوری جریان با تودۀ فعال نوری ]10[

2- 4 – نوع 4؛ فیبر نوری پیرامون هادی:
در این روش نیز همانند روش پیشین یک مسیر نوری پیرامون هادی ایجاد می¬شود ولی تفاوت آن در نحوۀ پیچش فیبرهای نوری است (شکل 6). در این روش فیبرهای نوری مستقیماً دور هادی پیچیده می¬شوند. تعداد این فیبرهای نوری بر اساس میزان حساسیت مورد انتظار از OCT تعیین می¬گردد.

شکل 6 : مبدل نوری جریان با فیبر نوری ]10[

2-5- حسگر شاهد :
در این روش،‌ به منظور اندازه¬گیری جریان از تمام فصای پیرامون هادی استفاده نمی¬شود. بدین منظور مطابق شکل 7، یک حسگر میدان مغناطیسی در نقطه¬ای در نزدیکی هادی قرار می¬گیرد. از آنجا که در این روش از مسیری بسته استفاده نمی¬شود، این حسگر یک مبدل واقعی نمی¬باشد و تنها میدان را در یک نقطه می¬سنجد، ولی با فرض وجود میدان یکنواخت پیرامون هادی،‌ می¬توان حسگر را برای تعیین میزان جریان هادی کالیبره نمود.

شکل 7 : حسگر شاهد که برای سنجش جریان استفاده می¬شود ]10[

3- اصول و مبانی سنجش نوری جریان:
سابقه سنجش جریان از طریق اندازه¬گیری میدان مغناطیسی پیرامون آن به حدود یک قرن پیش باز می¬گردد ]10[ . بر این اساس، جریان با جمع شدت میدان بر روی یک مسیر بسته پیرامون هادی حامل جریان محاسبه می¬شود. توزیع فضایی میدان مغناطیسی به موقعیت هادی حامل جریان بستگی دارد. اما اگر عمل محاسبه مجموع میدان¬ها بر روی یک مسیر بسته انجام گیرد. مقدار جریان مستقل از شکل مسیر انتگرال¬گیری بدست می¬آید. مقدار جریان را می-توان طبق قانون آمپر محاسبه نمود ]12[:
(1)
که در رابطه بالا، I مقدار جریان، H شدت میدان مغناطیسی و d1 جزء مسیر انتگرال¬گیری می¬باشند. روش سنجش جریان مبدل نوع 1، همانند ترانسفورماتورهای جریان معمولی، استفاده از قانون آمپر می¬باشد. در مبدل¬های انواع 2 تا 4 معمولاً از اثر فاراده یا اثر مغناطیسی – نوری استفاده می¬شود.
پلاریزاسیون نور با تعیین خصوصیات بردار میدان الکتریکی E تعیین می¬شود. نور با هر پلاریزاسیون را می-توان مجموعی از دو مؤلفه عمود بر هم در نظر گرفت ]12[. چنانچه این دو مؤلفة هم اندازه هم فاز باشند، نور با پلاریزاسیون خطی یا صفحه¬ای خواهد بودو اگر مؤلفه¬های هم اندازه اختلاف فاز 90 داشته باشند، پلاریزاسیون نور دایروی خواهد بود. مفهوم پلاریزاسیون نور و تجزیه آن به مؤلفه¬هایی با چرخش مثبت و منفی مشابه مفهوم مؤلفه¬های توالی مثبت و منفی در سیستم¬های قدرت می¬باشد.
در حالت کلی، ضریب شکست نوری ماده نسبت به جهت انتقال نور یا نوع پلاریزاسیون آن متغیر می¬باشد. چنین خاصیتی را خاصیت دو شکستی می¬نامند. این خاصیت در شیشه بر اثر فشارهای دائمی یا گذرا به همراه تغییر حرارت محیط به وجود می¬¬آید، در حالیکه منش‍أ آن در کریستال¬ها ساختار داخلی آنهاست.

بیشترین و کمترین ضریب شکست نوری متناظر با کمترین و بیشترین سرعت انتقال نور در ماده می¬باشند. این اختلاف سرعت سبب ایجاد اختلاف فازی در مؤلفه¬های نور پلاریزه می¬گردد. اگر نور پلاریزه¬ای از درون ماده¬ای عبور نماید که در این گذر، فاز آن ثابت بماند ولی میان مؤلفه¬های آن تبادل انرژی به وجود آید، پس از عبور صفحۀ پلاریزاسیون آن کمی چرخش می¬نماید. این خاصیت با نام فعالیت نوری خوانده می¬شود.
اثر فاراده یک فعالیت نوری مدوله شده است، به گونه¬ای که چرخش صفحه پلاریزاسیون نور در حضور یک میدان مغناطیسی و متناسب با آن صورت می¬گیرد. این اثر اولین بار در سال 1845 توسط مایکل فاراده مشاهده گردید ]12[. مقدار چرخش صفحه پلاریزاسیون ،‌ در حضور میدان مغناطیسی H ، در طول مسیر dI از رابطه:
(2)
محاسبه می¬شود که در آن V ثابت وردت می¬باشد. این ثابت مقدار بسیار کوچکی دارد. تابعیت ثابت وردت نسبت به طول موج و دما باید در ساخت OCT ها در نظر گرفته شود. نمونه ای از یک حسگر فاراده در شکل زیر :

شکل 8 : نمونه¬ای از یک حسگر فاراده و اجزای داخلی آن ]5[
در OCT ها نور ورودی ابتدا پلاریزه می¬شود. این کار با قرار دادن فیلتری در راه مسیر ورودی نور و انتخاب پلاریزاسیون مناسب صورت می¬گیرد. پس از عبور از میدان مغناطیسی میزان انحراف در زاویه صفحه پلاریزاسیون باید سنجیده شود. این میزان انحراف به طور مستقیم قابل اندازه¬گیری نمی¬باشد، زیرا فتودیودها نسبت به شدت نور حساس هستند، برای سنجش میزان این انحراف از روش¬های مختلفی استفاده می¬شود که در این مقاله به برخی از آنها اشاره می¬گردد.

4- روش¬های سنجش میزان انحراف زاویه صفحه پلاریزاسیون:
4-1- روش AC/DC:
نور در قسمت خروجی OCT از یک فیلتر پلاریزاسیون دیگر عبور می¬کند تا اطلاعات مورد نیاز از آن قابل استخراج باشد. میزان شدت نور خروجی به زاویۀ چرخش دو فیلتر پلاریزه کننده نسبت به هم،  ، بستگی دارد. در این روش به دلایل عملی، این زاویه معمولاً برابر در نظر گرفته می¬شود. در نظر گرفته می¬شود. شدت توان خروجی، با فرض عدم وجود تلفات در داخل OCT، مطابق رابطه زیر به شدت توان ورودی مرتبط می¬شود:
(3)
اشکال 9 (الف و ب) می¬توانند در فهم بهتر مسئله مفید واقع شود. معمولاً به دلیل طولانی بودن فیبر نوری پلاریزاسیون نور خروجی ثابت نمی¬ماند . به ازای و بدون حضور میدان مغناطیسی، توان خروجی نصف توان ورودی خواهد بود. بدین ترتیب با وجود میدان مغناطیسی و بروز زاویۀ انحراف در صفحه پلاریزاسیون، طبق رابطه (3) توان خروجی به صورت:
(4)
درمی¬آید. می¬توان رابطه اخیر را به صورت مجموع دو جمله معرف AC و DC در نظر گرفت:
(5)
(6)
اطلاعات مربوط به جریان در جمله AC نهفته است، ولی به علت آنکه رابطه (5) از منبع انرژی نوری مستقل گردد، مقدار جریان از رابطه:
(7)
محاسبه می¬شود. رابطۀ اخیر با فرض زوایای انحراف کوچک نوشته شده است که در آن I(t) جریانی است که در پی اندازه¬گیری آن هستیم و A ثابتی است که بستگی به طراحی OCT دارد.

4-2- روش جمع و تفاضل:
در این روش در خروجی OCTاز دو فیلتر با زوایای استفاده می¬شود. اگر خروجی¬های این دو فیلتر PA1 و PA2 نامیده شوند:
(8) (
(9) (

شکل 9 : نحوه تغییر زاویه پلاریزاسیون نور در حضور میدان مغناطیسی ] 10و 7[
بدین ترتیب با سنجش نسبت تفاضل و مجموع خروجی¬ها می¬توان میزان جریان را محاسبه نمود. در این روش میزان حساسیت خروجی مانند روش پیشین است. با وجود آنکه این روش به سخت¬افزار پیچیده¬تری نیاز دارد، پایداری آن نسبت به نویز حالت مشترک بیشتر است.

5- الزامات عملکرد OCT¬ها:
5-1- استانداردها:
برای تعیین الزامات عملکرد ترانسفورماتورهای جریان معمولی CT ها معیارهای مشخصی تدوین گردیده و موجود می¬باشند. بسیاری از این الزامات در قالب استانداردهای معتبر مانند 1987:185 IEC و 13-1978 .ANSI/IEEE C57 مورد توجه قرار گرفته¬اند. این الزامات بیانگر تطبیق مشخصات CT با شرایط کاربر می¬باشند. متأسفانه نمی¬توان از استانداردهای CT برای OCT استفاده نمود. از جمله مشخصات اساسی عملکرد یک OCT می¬توان پاسخ فرکانسی، نسبت سیگنال به نویز،‌ اعوجاجات هارمونیکی،‌ پایدار و رنج دینامیکی را نام برد. البته فعالیت-هایی در جهت ایجاد استانداردهای مبدل¬های نوری جریان در کمیته¬های فنی IEEE آغاز شده است ]10[. ولی تا پیش از تدوین استانداردهای مربوطه،‌ مشخصات OCT بر اساس نیازهای موجود و به صورت توافقی میان سازنده و کاربر تعیین می¬شوند.

5-2- مدارات واسطه:
در بیشتر کاربردها جریان خروجی CT معمولی یکی از مقادیر 1 یا 5 آمپر می¬باشد. مقدار این جریان حدود یک سده قبل و بر اساس ملاحظاتی همچون پایداری در برابر نویز و نیز داشتن انرژی کافی برای تحریک رله¬های الکترومغناطیسی انتخاب شده است ]10[. از آنجا که در برخی از OCT ها از ادوات الکترونیکی فعال استفاده می-شود، وجود چنین جریان بزرگی سبب ازدیاد مصرف سیستم DC و باتری¬های پست خواهد بود. از سوی دیگر وجود چنین جریان بزرگی در خروجی OCT قابل توجیه نمی¬باشد،‌ چرا که این ادوات به علت داشتن ماهیت نوری در برابر نویز و اغتشاشات پایدار می¬باشند. همچنین برای تحریک وسایل جدید سنجش کمیات و رله¬های پیشرفته نیاز به انرژی زیاد نمی¬باشد. بنابراین مقدار جریان یا ولتاژ در خروجی OCT ها چند میلی¬آمپر یا میلی ولت خواهد بود. انتخاب OCT با خروجی جریانی یا ولتاژی به صورت استاندارد پذیرفته شده نیست و هر مصرف¬کننده¬ای می¬تواند OCT مورد نیاز خود را با مشخصات خروجی مطلوب تهیه نماید. به علاوه برای تبدیل خروجی OCT، که یک سیگنال نوری با توان نمونه¬ای چند میکرو ولت می¬باشد ]10[،‌ به کمیت اصلی که معرف جریان فشار قوی باشد، نیاز به وجود مدارات واسطه¬ای است. این مدارات در هر مدل OCTبنا بر شرایط طراحی و ساخته می¬شوند.

5-3- کالیبراسیون :
بر اساس استاندارد IEC 185 : 1987،‌ در سختگیرانه¬ترین شرایط کلاس دقت یک CT برای حداکثر خطای نسبت تبدیل برابر %1/0 می¬باشد ]10[. با فرض وجود شرایط مشابه برای OCT و نیز با فرض آنکه وسیله کالیبره کننده باید دست کم 10 برابر بیش از وسیله کالیبره شونده دقت داشته باشد، برای انجام عمل کالیبراسیون نیاز به وسایلی با دقت %1/0 یا ppm 100 خواهد بود. با این شرایط می¬توان از وسایلی که برای کالیبراسیون CT استفاده می¬شوند،‌ برای کالیبره نمودن OCT نیز استفاده نمود. در این شرایط باید با استفاده از یک تقویت¬کننده،‌ سیگنال خروجی OCT را به میزان جریان CT تقویت نمود. تا امکان کالیبراسیون وجود داشته باشد. روش¬های دیگری نیز برای کالیبراسیون OCT با جریان خروجی اندک (در حد میلی آمپر) وجود دارد ] 13 و 14[. هنگام کالیبراسیون OCT باید مشخصات آن مانند پاسخ فرکانسی،‌ رنج دینامیکی و پایداری نیز مورد نظر قرار گیرند.
یکی از ویژگی¬های OCT این است که این وسیله از قسمت¬های مختلفی ساخته می¬شود. بنابراین برعکس CT¬های معمولی با بروز خطا در OCT ها،‌ تنها قسمت معیوب تعویض می¬شوند و نیازی به جایگزین نمودن کل سیستم اندازه¬گیری نمی¬باشد. با در نظر گرفتن این شرایط، وجود روش¬های کالیبراسیون OCT که در محل تأسیسات فشار قوی قابل اجرا باشند، بسیار مفید خواهد بود.

فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد

تعداد صفحات این مقاله  20  صفحه

پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید