ДАТЧИК КОНТРОЛЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01R19/165 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для быстродействующего (порядка единиц микросекунд) контроля исчезновения или резкого изменения сверх допуска мгновенного значения синусоидального напряжения с выдачей сигнала, свидетельствующего об этом событии, но не для измерения напряжения.

Известны датчики контроля переменного напряжения, применяемые в агрегатах бесперебойного питания, содержащие выпрямитель, фильтр, сглаживающий выпрямленное напряжение для того, чтобы его можно было сравнивать с эталонным постоянным напряжением, а также один двухуровневый или два одноуровневых компаратора [1, 2]
Такие датчики пригодны для контроля действующего или амплитудного значения напряжения, но не пригодны для контроля мгновенного значения из-за инерционности фильтра. Это связано с тем, что для придания выпрямленному напряжению формы, пригодной для сравнения с постоянным эталоном, постоянная времени фильтра должна быть по крайней мере на порядок больше периода контролируемого напряжения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является датчик мгновенных отклонений переменного напряжения, содержащий формирователь опорного напряжения, выполненный в виде генератора синусоидального напряжения с фазовой автоподстройкой частоты, сумматор, два двухполуперидных и два однополупериодных выпрямителя [3]
Такой датчик обладает высоким быстродействием, однако он не выдает сигнала, свидетельствующего о выходе мгновенного значения контролируемого напряжения из области допустимых значений.

Основной задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, обеспечение быстродействующего контроля исчезновения или резкого изменения сверх допуска мгновенного значения контролируемого синусоидального напряжения.

Решение поставленной задачи осуществляется следующим образом.

Сущность допускового контроля мгновенного значения напряжения заключается в том, что непрерывно во времени сравнивают две следующие величины:
1) модуль допустимого рассогласования между эталонным и контролируемым напряжениями;
2) модуль фактического рассогласования между эталонным и контролируемым напряжениями.

На фиг. 1 а, б представлены диаграммы контролируемого и эталонного напряжений, допустимого и фактического рассогласований между эталонным и контролируемым напряжениями, а также модулей допустимого и фактического рассогласований для случая, когда фактическое рассогласование меньше допустимого. На диаграммах показано, что контролируемое напряжение (прерывистые линии) может быть как выше, так и ниже эталонного (сплошная линия), в связи с чем фактическое рассогласование (штрихпунктирные линии) может быть положительным или отрицательным. Положительное и отрицательное допустимые рассогласования (сплошные линии, ограничивающие заштрихованную область) образуют синусоидальную трубку допуска (заштрихованная область). Из фиг. 1 а, б видно, что если фактическое рассогласование меньше эталонного, то модуль фактического рассогласования ниже модуля эталонного рассогласования за исключением моментов перехода синусоиды через ноль, когда оба этих сигнала оказываются равными нулю.

На фиг. 1 в, г представлены диаграммы тех же величин для случая, когда фактическое рассогласование больше допустимого. В этом случае модуль фактического рассогласования выше модуля допустимого рассогласования за исключением моментов перехода синусоиды через ноль.

Модули допустимого и фактического рассогласований можно сравнивать компаратором. В случае выхода фактического рассогласования за пределы трубки допуска, например, как показано на фиг. 2 д, е, компаратор изменит свое состояние, причем не имеет значения, каким будет изменение контролируемого напряжения скачкообразным или медленным, в сторону уменьшения или в сторону увеличения. Не имеет значения и количество срабатываний компаратора, важен лишь факт сигнала, свидетельствующего о выходе контролируемого напряжения за допуск.

Следует иметь в виду, что в моменты времени, когда синусоида переходит через ноль, оба сигнала, сравниваемые компаратором, оказываются равными нулю. Состояние компаратора в этой ситуации становится неустойчивым и непредсказуемым. Для исключения ложных срабатываний датчика в эти моменты необходимо принять меры.

Можно, например, к модулю допустимого рассогласования прибавить небольшое (порядка 1 эталонного напряжения) постоянное напряжение смещения U_см, чтобы "приподнять" этот сигнал над осью времени, как показано на фиг. 3, и эту схему сравнивать с фактическим рассогласованием. Сумма указанных напряжений уже не равна нулю при переходе синусоиды через ноль, поэтому сравниваемые компаратором сигналы в эти моменты друг другу не равны, благодаря чему ложные срабатывания исключаются. Такая мера не может существенно ухудшить качество работы датчика, т. к. по указанным выше соображениям точность не является его основным показателем.

Для контроля напряжения по описанному выше способу необходимо сформировать два эталонных сигнала эталонное напряжение и допустимое рассогласование. Эти сигналы связаны между собой равенством
U_д kU_э (1),
где U_д допустимое рассогласование;
U_э эталонное напряжение;
k ≅ 1 постоянный коэффициент, которым задается ширина трубки допуска. Если, например k=0,1, то допустимое рассогласование составит 10% эталонного напряжения. Эталонные сигналы могут быть сформированы с помощью источника, который, как следует из описания способа контроля и как видно из диаграмм на фиг. 1 а, б, в, г, фиг. 2 д, е, должен обладать следующими свойствами:
1) амплитуда его напряжения не должна зависеть от амплитуды контролируемого напряжения;
2) фаза его напряжения должна точно совпадать с фазой контролируемого напряжения или отличается от нее ровно на 180^o даже при изменении частоты контролируемого напряжения (хотя бы в некоторых пределах).

Очевидно, без соблюдения этих условий контроль мгновенного напряжения невозможен.

Устройство источника эталонного сигнала будет описано ниже.

Синтезируем схему датчика. Из описания способа контроля следует, что датчик должен содержать следующие узлы:
1) источник эталонного сигнала, равного эталонному напряжению U_э;
2) усилитель с коэффициентом усиления k, формирующий сигнал допустимого рассогласования в соответствии с выражением (1);
3) двухполупериодный выпрямитель, вычисляющий модуль допустимого рассогласования ;
4) сумматор, вычисляющий фактическое рассогласование между эталонным и контролируемым напряжениями
U_ф U_э U;
5) двухполупериодный выпрямитель, вычисляющий модуль фактического рассогласования ;
6) источник постоянного напряжения смещения U_см;
7) сумматор, вычисляющий сумму модуля допустимого рассогласования с напряжением смещения;
8) компаратор, сравнивающий указанную выше сумму с модулем фактического рассогласования.

Синтезированная таким образом схема представлена на фиг. 4, где 1 - источник эталонного напряжения; 2 усилитель с коэффициентом усиления k; 3 - двухполупериодный выпрямитель, вычисляющий модуль допустимого рассогласования; 4 сумматор, вычисляющий фактическое рассогласование; 5 двухполупериодный выпрямитель, вычисляющий модуль фактического рассогласования; 6 источник постоянного напряжения смещения U_см; 7 сумматор, вычисляющий сумму модуля допустимого рассогласования и напряжения смещения; 8 компаратор.

Источник эталонного напряжения в принципе можно построить так, как показано на фиг. 5, из компаратора 9 и двойного интегратора 10.

Диаграммы, показывающие принцип работы источника эталонного напряжения, представлены на фиг. 6 а, б, в, г.

Компаратор 9 изменяет свое состояние в моменты, когда контролируемое напряжение U (см. фиг. 6 а, б) изменяет знак, причем выходное прямоугольное напряжение компаратора 9 положительно в течение положительного и отрицательно в течение отрицательного полупериодов контролируемого напряжения U.

Интеграл выходного напряжения компаратора 9 представляет собой треугольный сигнал (см. фиг. 6 в), а двойной интеграл (см. фиг. 6 г) - периодическая кривая, состоящая из отрезков парабол 2-й степени является степенным приближением 2-го порядка к синусоиде контролируемого напряжения U и сдвинута по фазе относительно нее равно на 180^o.

Докажем это. Представив контролируемое напряжение в виде
U = U_mcosωt (2)
и разложив эту функцию в ряд Маклорена, получаем

Функцию выходного напряжения компаратора 9 (см. фиг. 6 б) можно представить в виде

Двойной интеграл этой функции

Если за начало интегрирования принять начало положительного полупериода контролируемого напряжения, то постоянная интегрирования
C -U_m,
тогда

Сравнивая (6) с (3) и отбрасывая в (3) все члены разложения выше 2-го порядка, получаем
U_э -U (7).

Очевидно, кривая U_э пересекает ось времени одновременно с прямоугольным напряжением компаратора 9 и, следовательно, одновременно с контролируемым напряжением U (см. фиг. 6).

Таким образом, фазы сигналов U_э и U отличаются ровно на 180^o.

Равенство (7) выполняется лишь приближенно. Соединив последовательно несколько двойных интегралов в схеме источника эталонного напряжения 1, можно получить более точные приближения четвертого, шестого и т. д. порядков к синусоиде и при сдвиге фаз на 360^o, 540^o и т. д. Однако для практической реализации поставленной цели изобретения, где точности главная роль не отводится, вполне достаточно и одного двойного интегратора.

К сожалению, источник эталонного напряжения, построенный в соответствии с фиг. 5 и содержащий реальный двойной интегратор, собранный по обычной схеме (см. например, Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС. М. Мир. 1985, с. 141, рис. 6.13), работает недостаточно надежно. Это связано с тем, что реальный интегратор или двойной интегратор, кроме полезного сигнала, накапливает систематическую ошибку и переходит в состояние насыщения. В результате этого все приведенные выше соотношения нарушаются и датчик теряет работоспособность.

Указанный недостаток можно устранить следующим образом. В схеме источника эталонного напряжения (см. фиг. 5) компаратор 9 заменим компаратором с запаздыванием срабатывания, двойной интегратор 10 заменим на двойной интегратор с ограничением выходного напряжения, дополнительно введем дифференцирующую цепь 11, в результате чего получим схему, представленную на фиг. 7.

Диаграммы, поясняющие принцип работы такого источника эталонного напряжения, представлены на фиг. 8 а, б, в, г.

Двойной интегратор 10 с ограничением выходного напряжения (ограничение выходного напряжения может быть осуществлено, например, включением двуханодного стабилитрона в цепь обратной связи операционного усилителя, см. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС. М. Мир. 1985, с. 136) также вычисляет двойной интеграл прямоугольного напряжения (см. фиг. 6е), но не переходит в состояние насыщения. Однако его выходное напряжение содержит постоянную составляющую. Возможный ход кривой двойного интеграла ограничен сверху и снизу уровнями ограничения выходного напряжения, как показано на фиг. 6в штриховыми линиями. Кривая двойного интеграла, показанная сплошной линией, имеет место в идеальном случае, когда постоянная составляющая отсутствует. Постоянная составляющая выходного напряжения двойного интегратора устраняется дифференцирующей цепью 11. Дифференцирующая цепь сдвигает фазу напряжения двойного интегратора на некоторый временной угол α вперед по оси времени (см. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. М. Радио и связь. 1985, с. 17 19, рис.2.3, 2.4). Поскольку, как обосновано выше, фаза эталонного напряжения U_э должна точно совпадать с фазой контролируемого напряжения U, либо отличаться от нее на угол, кратный 180^o, фазовый сдвиг a компенсируется запаздыванием срабатывания компаратора 9 (такой компаратор может быть выполнен, например, по схеме, представленной в кн. Щербаков В.И. Грездов Г. И. Электронные схемы на операционных усилителях. Справочник. К. Техника. 1983, с.74, рис.4.7а). Эталонное напряжение U_э снимается с выхода дифференцирующей цепи 11.

Полная схема датчика представлена на фиг. 8, где сохранена нумерация элементов, принятая на фиг. 4, 5, 7.

На фиг. 10 представлены диаграммы, поясняющие принцип работы датчика, где а контролируемое напряжение U; б сигнал на выходе компаратора 9 с запаздыванием срабатывания; в интеграл сигнала компаратора 9; г эталонное напряжение U_э; д сумма модуля допустимого рассогласования и напряжения смещения; е модуль фактического рассогласования; ж сигнал на выходе датчика (на выходе компаратора 8).

Диаграммы построены для случая, когда в момент времени t₀ контролируемое напряжение U скачком уменьшается до нуля. При этом фактическое рассогласование U_ф и его модуль также изменяется скачком (фиг.10). Если сигнал при этом становится больше суммы модуля допустимого рассогласования и напряжения смещения (см. фиг. 10), то компаратор 8 в этот же момент изменяет свое состояние.

Следует учесть, что факт срабатывания компаратора 8 не зависит от поведения компаратора 9 в момент t₀ и в дальнейшем, т. к. эталонное напряжение U_э, по существу являющиеся двойным интегралом сигнала компаратора 9, скачком измениться не может. Следовательно, скачком измениться не может и сумма модуля допустимого рассогласования и напряжения смещения U_д + U_см (фиг.10 е), являющиеся опорным сигналом для компаратора 8. В первый момент времени справа от момента t₀ сигнал будет иметь такое же значение, как и в последний момент слева от момента t₀. Это означает, что при скачкообразном изменении контролируемого напряжения сверх допуска в тот же момент компаратор 8 сформирует хотя бы один кратковременный импульс, являющийся сигналом, свидетельствующим об этом событии. Очевидно и при медленном изменении контролируемого напряжения компаратор 8 срабатывает в тот же момент, когда сигнал станет больше .

Таким образом, решение основной задачи изобретения осуществляется тем, что модуль мгновенного значения фактического рассогласования между контролируемым и эталонным напряжением сравниваются компаратором с суммой модуля мгновенного значения допустимого рассогласования и небольшого (порядка 1% эталонного напряжения) постоянного напряжения смещения, причем допустимое рассогласование определяется как эталонное напряжение, умноженное на постоянный коэффициент, меньший 1, а эталонное напряжение смещено по фазе относительно контролируемого ровно на 180^o и имеет амплитуду, не зависящую от контролируемого напряжения, для чего в состав датчика контроля переменного напряжения, содержащего источник эталонного напряжения, вход которого является входом датчика контроля переменного напряжения, первый двухполупериодный выпрямитель, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, а также второй двухполупериодный выпрямитель, введены усилитель, второй сумматор, источник постоянного напряжения смещения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, а также компаратор, входы которого соединены с выходами первого сумматора и второго двухполупериодного выпрямителя, соответственно, выход компаратора является выходом датчика контроля переменного напряжения, входы второго сумматора соединены с входом и выходом источника эталонного напряжения, выход которого через усилитель подключен к входу первого двухполупериодного выпрямителя, а выход второго сумматора подключен к входу второго двухполупериодного выпрямителя, причем источник эталонного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных компаратора с запаздыванием срабатывания, двойного интегратора с ограничением выходного напряжения и дифференцирующей цепи.

Применение датчика в агрегатах бесперебойного питания (АБП), системах гарантированного электропитания (СЭГ) и других устройствах, резервирующих основной источник питания переменным током, позволяет практически полностью устранить перерыв питания нагрузки при сохранении высокого КПД и тем самым расширить область применения таких систем, в частности, для питания компьютеров.

Источники информации.

1. Авторское свидетельство СССР N 1381654, кл. H 02 J 9/06, 1988.

2. Ковалев Ф. И. Мустафа Г.М. Завьялов В.И. Хурхуров Р.Г. Управление режимами в однофазном агрегате бесперебойного питания. Электротехническая промышленность. Сер. Преобразовательная техника, 1978. Вып. 9 (104), с. 16, рис.2.

3. Авторское свидетельство СССР N 1241133, кл. G 01 R 19/04, 1983.

Использование: в измерительной технике для быстродействующего контроля исчезновения или резкого изменения сверх допуска мгновенного значения синусоидального напряжения с выдачей сигнала, свидетельствующего об этом событии. Сущность изобретения: датчик содержит источник эталонного напряжения, амплитуда которого не зависит от контролируемого напряжения, а фаза отличается на угол, кратный 180^o, содержащий компаратор с запаздыванием срабатывания, двойной интегратор с ограничением выходного напряжения и дифференцирующую цепь, усилитель эталонного напряжения, вход источника эталонного напряжения является входом датчика, первый двухполупериодный выпрямитель, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, а также второй двухполупериодный выпрямитель, введены: усилитель, второй сумматор, источник постоянного напряжения смещения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, а также компаратор, входы которого соединены с выходами первого сумматора и второго двухполупериодного выпрямителя, соответственно, выход компаратора является выходом датчика, входы второго сумматора соединены с входом и выходом источника эталонного напряжения, выход которого через усилитель подключен к входу первого двухполупериодного выпрямителя, а выход второго сумматора подключен к входу второго двухполупериодного выпрямителя. 10 ил.

Датчик контроля переменного напряжения, содержащий источник эталонного напряжения, вход которого является входом датчика контроля переменного напряжения, первый двухполупериодный выпрямитель, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, а также второй двухполупериодный выпрямитель, отличающийся тем, что в него введены усилитель, второй сумматор, источник постоянного напряжения смещения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, а также компаратор, входы которого соединены с выходами первого сумматора и второго двухполупериодного выпрямителя соответственно, выход компаратора является выходом датчика контроля переменного напряжения, входы второго сумматора соединены с входом и выходом источника эталонного напряжения, выход которого через усилитель подключен к входу первого двухполупериодного выпрямителя, а выход второго сумматора подключен к входу второго двухполупериодного выпрямителя, причем источник эталонного напряжения выполнен в виде последовательно соединенных компаратора с запаздыванием срабатывания, двойного интегратора с ограничением выходного напряжения и дифференцирующей цепи.