ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК G01R19/20 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для бесконтактного измерения переменных токов в широкой полосе частот.

Известны устройства для измерения переменных токов, например, устройство, содержащее измерительный резистор, магнитопровод из магнитомягкого материала, на который нанесены первичная и вторичная обмотки, к первому выводу вторичной обмотки подключены инвертирующий вход и выход операционного усилителя, второй вывод обмотки, неинвертирующий вход операционного усилителя и первый вывод измерительного резистора подключены к выходу устройства, второй вывод измерительного резистора соединен с общей шиной устройства [I]
Указанное устройство имеет невысокую точность в области низких частот и низкую устойчивость из-за отсутствия в контуре регулирования звеньев частотной коррекции. Выходным сигналом вторичной обмотки является сигнал, пропорциональный производной измеряемого тока, сигнал компенсации представляет собой усиленный по напряжению и мощности сигнал вторичной обмотки. В области низких частот происходит резкий спад напряжения на выводах вторичной обмотки. Для его компенсации необходимо увеличивать коэффициент усиления операционного усилителя, что, в свою очередь, приводит к потере устойчивости схемы, охваченной по постоянному току единичной обратной связью.

Известен также магнитоэлектронный преобразователь ток-напряжение, содержащий первичную и две вторичные обмотки, расположенные на магнитопроводе из магнитомягкого материала, два операционных усилителя, первый резистор, включенный между первым выводом первой вторичной обмотки и выходной шиной, соединенной с выходом первого операционного усилителя, конденсатор, включенный между инвертирующим входом и выходом второго операционного усилителя, второй резистор, включенный между первым выводом второй вторичной обмотки и инвертирующим входом второго операционного усилителя, неинвертирующие входы операционных усилителей и второй вывод второй вторичной обмотки подключены к общей шине, а инвертирующий вход первого операционного усилителя и второй вывод первой вторичной обмотки соединены с выходом второго операционного усилителя [2]
Указанное устройство имеет достаточно сложную конструкцию в связи с наличием двух вторичных обмоток и низкую точность измерения в связи с подмагничиванием сердечника постоянной составляющей, возникающей за счет дрефа выходного напряжения второго операционного усилителя. Выходное напряжение второго операционного усилителя усиливается первым операционным усилителем и через первый резистор подается на первую вторичную обмотку. По указанной обмотке протекает постоянная составляющая тока компенсации, которая подмагничивает сердечник. Так как для получения максимального напряжения на выходных клеммах первого операционного усилителя достаточно разности потенциалов между его инвертирующим входом и общей шиной в несколько милливольт, то после подачи питающих напряжений устройство за короткий промежуток времени теряет работоспособность вследствие насыщения сердечника.

Заявляемое изобретение направлено на упрощение устройства и повышение точности измерения.

На фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема измерительного преобразователя переменного тока, на фиг. 2а, б, в, г, представлены диаграммы работы.

Измерительный преобразователь переменного тока (фиг. 1) содержит магнитопровод 1 из магнитомягкого материала, первичную обмотку 2, вторичную обмотку 3, первый и второй операционные усилители 4, 5, первый, второй, третий и четвертый резисторы 6, 7, 8, 9, конденсатор 10.

Измерительный преобразователь переменного тока работает следующим образом.

При отсутствии питающих напряжений и протекании входного тока J_bx (фиг. 2а) последний создает в магнитопроводе 1 магнитный поток, который при достаточном уровне входного тока насыщает сердечник. Во вторичной обмотке 3 наводится трансформаторная э.д.с. U₃, пропорциональная величине и скорости изменения магнитного потока в магнитопроводе (фиг. 2б). При подаче питающих напряжений с момента времени t₁ выходной сигнал вторичной обмотки 3 поступает на вход интегратора напряжения, выполненного на первом операционном усилителе 4, резисторе 7 и конденсаторе 10. Постоянная интегрирования равна произведению сопротивления второго резистора 7 на емкость конденсатора 10 в цепи обратной связи этого усилителя. Выходное напряжение операционного усилителя 4 U₄ пропорционально разностному току I_p, который обуславливает наличие остаточного потока. Остаточный магнитный поток наводит во вторичной обмотку 3 электродвижущую силу, величина которой пропорциональна скорости изменения этого потока. Сигнал U₄ усиливается усилительным звеном на втором операционном усилителе 5 и поступает на вторичную обмотку 3, вызывая протекание компенсационного тока J_к. Коэффициент усиления по напряжению усилительного звена находится по формуле
K_y=1+R₉/R₈,
где
R₉ и R₈ соответственно сопротивления четвертого и третьего резисторов 8, 9.

Компенсационный ток I_k создает в магнитопроводе 1 магнитный поток, направленный встречно магнитному потоку, вызываемому измерительным током, протекающим в первичной обмотке 2. При заданной величине сопротивления первого резистора R₆ и максимальной величине измеряемого тока I_вx уровень тока компенсации определяется из соотношения

где
N₁ число витков первичной обмотки;
N₂ число витков вторичной обмотки;
δ погрешность, вызванная конечной величиной магнитной проницаемости магнитопровода 1 и наличием потоков рассеяния первичной и вторичной обмоток, а также конечностью коэффициента усиления цепи прямой передачи контура регулирования.

Разностной ток, определяемый из соотношения является ошибкой статизма контура регулирования и при K_y> 1 усилительного звена, выполненного на втором операционном усилителе 5, и проницаемости магнитопровода 1 μ ≫ 1 стремится к нулю и, соответственно, к нулю стремится погрешность преобразования δ.

Коэффициент преобразования устройства определяется по формуле

где U₆ выходное напряжение устройства, U₆=I_kR₆,
γ полная погрешность преобразования, вызванная конечностью коэффициента усиления цепи прямой передачи контура регулирования и наличием потоков рассеяния. Таким образом

Выходное напряжение U₆ пропорционально измеряемому току I_вх, его форма соответствует форме входного тока (фиг. 2г). Погрешность преобразования γ включает в себя также аддитивную составляющую, вызванную напряжением смещения операционных усилителей 4 и 5, которая соответствующим выбором типа операционных усилителей или регулировкой напряжения смещения может быть уменьшена до пренебрежимо малых значений.

Подключение неинвертирующего входа и выхода второго операционного усилителя соответственно к выходу первого операционного усилителя и первому выводу вторичной обмотки позволило стабилизировать нулевой уровень интегратора напряжения, выполненного на первом операционном усилителе, снизить подмагничивание сердечника магнитопровода постоянным током и, тем самым, повысить точность измерения переменных токов, так как исключается насыщение магнитопровода и снижение индуктивности намагничивания сердечника. Исключение второй вторичной обмотки, имеющейся в устройстве-прототипе, позволило упростить устройство. Подключение неинвертирующего входа второго операционного усилителя к выходу первого операционного усилителя позволило увеличить коэффициент усиления цепи прямой передачи контура регулирования сигнала компенсации в виде компенсационного тока, протекающего через вторичную обмотку. Увеличение коэффициента усиления цепи прямой передачи позволило скомпенсировать снижение выходного сигнала вторичной обмотки в области низких частот и, тем самым, расширить частотный диапазон устройства в этой области. Введение третьего и четвертого резисторов позволило стабилизировать коэффициент усиления звена, выполненного на втором операционном усилителе и обеспечить необходимый запас устойчивости контура регулирования. Подключение второго вывода вторичной обмотки к первому выводу первого резистора, являющемуся выходом устройства, и второго вывода первого резистора к общей шине позволило получить падение напряжения на первом резисторе, пропорциональное измеряемому току, которое является выходным сигналом преобразователя. По сравнению с прототипом, за счет объема выходного сигнала с первого резистора и исключения влияния выходного сопротивления второго операционного усилителя, свойственного указанному устройству, повышается точность измерения. Ток, протекающий через первый резистор, пропорционален мгновенному значению измеряемого тока в первичной обмотке, результирующий магнитный поток в сердечнике близок к нулю за счет значительного коэффициента усиления по току второго операционного усилителя, ошибка преобразования входного тока не превышает десятых долей процента.

Решение поставленной задачи подтверждается испытанием макетного образца устройства. В качестве операционных усилителей 4 и 5 использованы усилители типа КР1400УД20А, причем первый операционный усилитель 4 использован с буферным повторителем на транзисторах КТ502Б и КТ503Б. Диапазон измеряемых токов составил 0 I0А. Приведенная погрешность измерения не превышает 0,2% и обусловлена, в основном, аддитивной составляющей, вызванной напряжением смещения нуля операционного усилителя 5, а также потоками рассеяния обмоток преобразования и конечностью коэффициента усиления звена на операционном усилителе 5.

Предложенное устройство может быть использовано в качестве широкополосного измерительного преобразователя переменных токов в системах управления электропривода, выпрямителях, регуляторах, системах учета энергии и в качестве измерительного органа релейных защит.

Изобретение предназначено для бесконтактного измерения переменного тока, и может быть использовано в системах учета электроэнергии, управления электропривода, регуляторах и измерительных органах релейной защиты. Сущность изобретения состоит в том, что измерительный преобразователь переменного тока содержит магнитопровод из магнитомягкого материала, на котором расположены две обмотки, два операционных усилителя, четыре резистора и конденсатор, которые соединены между собой таким образом, что достигается упрощение устройства и повышение точности измерения. 2 ил.

Измерительный преобразователь переменного тока, содержащий первичную и вторичную обмотки, расположенные на магнитопроводе из магнитомягкого материала, первый резистор, первый операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с его выходом через конденсатор, второй операционный усилитель, второй резистор, первый вывод которого подключен к первому выводу вторичной обмотки, при этом второй вывод второго резистора соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с вторым выводом вторичной обмотки, а первый вывод первого резистора является выходом измерительного преобразователя переменного тока, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные третий и четвертый резисторы, точка соединения которых подключена к инвертирующему входу второго операционного усилителя, при этом выход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя, выход которого соединен с первым выводом вторичной обмотки и другим выводом четвертого резистора, другой вывод третьего резистора соединен с вторым выводом вторичной обмотки и первым выводом первого резистора, второй вывод которого подключен к общей шине.