ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1999 года по МПК G01R19/04 

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению переменных токов в электроэнергетике.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении точности измерения переменных токов в электроэнергетике.

Известны индукционные трансформаторы тока (см. Андреев Ю.А., Абрамзон Г. В. Преобразователи тока для измерения без разрыва цепи. - Л.: Энергия, 1979, стр. 36 - 47), которые содержат сердечник из ферромагнитного материала, первичную и вторичную обмотки. Такие трансформаторы широко используются в электроэнергетике для измерения переменных токов. Но, как известно, при стремлении повысить точность преобразования выявляется ряд недостатков, которые связаны, например, с нелинейностью кривой намагничивания, зависимостью погрешностей от сопротивления во вторичной обмотке трансформатора.

Известны также преобразователи тока на основе пояса Роговского и пассивного интегратора (см. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. - М.: Энергия, 1973, стр. 156 - 157). Недостатком таких устройств является снижение точности преобразования из-за погрешностей интегрирования и отбора мощности от пояса. Попытки использования в составе преобразователя электронных усилителей с емкостной обратной связью также наталкиваются на проблему увеличения погрешностей вследствие интегрирования напряжения смещения и входных токов усилителя. Поэтому такие устройства в электроэнергетике практически не используются.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является измерительный преобразователь на основе пояса Роговского и интегратора на операционном усилителе (ОУ) (см. Волгин Л.И., Матчак А.Т. Бесконтактный датчик тока //Приборы и техника эксперимента, 1976, N 3, стр. 113 - 115). Для устранения накопления погрешности от интегрирования напряжения смещения и входных токов ОУ в нем используется фиксация нулевого уровня интегратора с помощью диода. Такое устройство предназначено для измерения импульсных токов, а использовать его для измерения переменных токов, например в промышленной электроэнергетике, нельзя, поскольку выходное напряжение в этом случае будет содержать, кроме полезной переменной составляющей, паразитную постоянную составляющую U (фиг. 1). Кроме этого, происходит искажение сигнала в моменты Δt фиксации нулевого уровня, поэтому, хотя напряжение ΔU имеет малое значение (фиг. 1), с этим приходится считаться при проведении прецизионных измерений. Также можно отметить, что в прототипе происходит отбор мощности от пояса Роговского, что снижает уровень информативного сигнала. Эти факторы приводят к погрешностям при измерении переменных токов, поскольку, например, постоянная составляющая выходного напряжения существенно искажает информацию о действующем значении измеряемого тока.

Цель изобретения - повышение точности измерения переменного тока.

Для достижения поставленной цели в измерительный преобразователь переменного тока, содержащий пояс Роговского с обмоткой на неферромагнитном каркасе, интегратор напряжения на основе конденсатора, резистора и операционного усилителя, причем неинвертирующий вход последнего заземлен, а инвертирующий вход подключен к резистору, выход же усилителя является выходом устройства, введены повторитель напряжения, генератор прямоугольных импульсов, логический инвертор и восемь электронных ключей, причем первый вывод обмотки пояса через первый ключ подключен к входу повторителя, а через второй ключ - к земляной шине, второй вывод обмотки пояса через третий и четвертый ключ также соединен соответственно с входом повторителя и земляной шиной, первые выводы пятого и шестого ключей соединены с инвертирующим входом усилителя, а вторые выводы пятого и шестого ключей соединены соответственно с первой и второй обкладками конденсатора, первые выводы седьмого и восьмого ключей подключены к выходу усилителя, а вторые выводы - к первой и второй обкладкам конденсатора соответственно, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами управления первого, четвертого, пятого и восьмого ключей непосредственно, а с входами управления второго, третьего, шестого и седьмого ключей - через логический инвертор.

Существенным отличием заявляемого устройства от прототипа является использование схемы коррекции нулевого уровня интегратора, содержащей генератор тактовых импульсов, логический инвертор, восемь ключей, а также повторителя напряжения.

По имеющимся у автора сведениям эти существенные признаки не известны из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению автора сущность заявляемого изобретения не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "изобретательский уровень".

Признаки данного изобретения могут быть многократно использованы в измерительной технике о получении технического результата, заключающегося в достижении поставленной цели, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 3. На фиг. 2 изображена функциональная схема устройства, фиг. 3 поясняет работу устройства.

Функциональная схема устройства (фиг. 2) содержат пояс Роговского с обмоткой 1. Один ее вывод через первый 2 и второй 3 ключи соединен соответственно с входом повторителя напряжения 4 и земляной шиной. Другой вывод обмотки через третий 5 и четвертый 6 ключи также соединен соответственно с входом повторителя 4 и земляной шиной. Выход повторителя 4 через резистор 7 подключен к инвертирующему входу ОУ 8, неинвертирующий вход которого заземлен, а выход является выходом устройства. Входные зажимы пятого 9 и шестого 10 ключей подсоединены к инвертирующему входу ОУ 8, а выходные зажимы этих ключей соединены через конденсатор 11. Входные зажимы седьмого 12 и восьмого 13 ключей подключены к выходу ОУ 8, а выходные зажимы этих ключей также соединены через конденсатор 11. Выход генератора прямоугольных импульсов (ГПИ) 14 соединен с входами управления первого 2, четвертого 6, пятого 9 и восьмого 13 ключей непосредственно, а с входами управления второго 3, третьего 5, шестого 10 и седьмого 12 ключей - через логический инвертор 15.

Устройство работает следующим образом. Пояс Роговского с обмоткой 1 охватывает шины с измеряемым током i. Генератор 14 генерирует напряжение прямоугольной формы с частотой f = 1/T (фиг. 3, а). Например, в течение времени T₁ ключи 2, 6, 9, 13 замкнуты, а ключи 3, 5, 10, 12 - разомкнуты. Поэтому вывод B₁ обмотки пояса подключается к повторителю 4, вывод B₂ заземляется, первая обкладка O₁ конденсатора 11 подключается к неинвертирующему входу ОУ 8, а вторая обкладка O₂ - к выходу ОУ. У реального ОУ имеются некоторые входной ток J и напряжение смещения E_см, которые при анализе учитываются подключением источников тока и ЭДС, что показано на фиг. 3, б (см. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л. : Энергоатомиздат, 1988, стр. 21). Входное сопротивление повторителя 4 велико, поэтому ток по обмотке пояса не протекает. Происходит интегрирование как полезного напряжения пояса u_п(t), так и указанных паразитных факторов (пусть, например, они имеют знак "+"):

т. е. происходит смещение нулевого уровня интегратора. В выражении (1) R и C - сопротивление резистора 7 и емкость конденсатора 11.

В течение времени T₂ (фиг. 3, а) напряжения ГТН 14 наоборот ключи 2, 6, 9, 13 размыкаются, а ключи 3, 5, 10, 12 замыкаются, что обеспечивается с помощью инвертора 15. Поэтому вывод B₂ обмотки подключается к повторителю 4, вывод B₁ заземляется, первая обкладка конденсатора O₁ подключается к выходу ОУ 8, а вторая обкладка O₂ - к инвертирующему входу этого ОУ. Поскольку происходит изменение полярности как напряжения, снимаемого с пояса, так и полярности подключения конденсатора, то знак интегрирования напряжения u_п(t) не изменяется. Что касается паразитных факторов, то их знак за малое время не меняется, поэтому знак интегрирования в течение времени T₂ меняется на противоположный вследствие изменения полярности подключения только обкладок конденсатора. Аналогично (1) можно записать, что

За время T = T₁ + T₂ при T₁ = T₂ для выходного напряжения получаем

т. е. смещения нулевого уровня интегратора не происходит, а производится интегрирование только полезного сигнала, который пропорционален производной измеряемого тока

где M - взаимоиндуктивность между токопроводом и поясом Роговского.

Поэтому

т. е. выходное напряжение содержит только переменную составляющую, которая пропорциональна переменному измеряемому току.

Полученный результат является справедливым для любого четного числа суммы полутактов T_i. Выбором частоты ГПИ 14 можно добиться очень малого значения напряжения U_см в отдельных полутактах. При этом к стабильности частоты генератора 14 особых требований не предъявляется, нужно лишь обеспечить равенство полутактов: T₁ = T₂, т.е. скважность ГПИ 14 должна быть равной 0,5. Если это условие не выполняется, то его можно достигнуть включением в состав ГПИ 14 делителя частоты на 2. Отметим, что выражение (3) получено в предположении неизменности значений паразитных факторов в течение полутактов T₁ и T₂. При наличии их дрейфа в реальном случае необходимо учесть, что скорость этого дрейфа пренебрежимо мала по сравнению со скоростью изменения напряжения ГПИ 14. Кроме этого, можно показать, что при дрейфе в одну сторону даже при неполной компенсации напряжения U_см за время T = T₁ + T₂ в течение времени t >> T смещение нулевого уровня будет колебаться вокруг некоторого малого конечного значения.

Отметим также, что сопротивления замкнутых ключей в обратной связи ОУ 8 влияют на частотную характеристику интегратора. Для снижения этого влияния необходимо использовать электронные ключи с малым сопротивлением в открытом состоянии r₀, например, К590КН9, у которого r₀ = 6 Ом (см. вышеприведенную книгу Гутникова В. С., стр. 290). В этом случае, например, угловую погрешность на частоте 50 Гц можно снизить до сотых долей градуса. Что касается ключей между обмоткой 1 и повторителем 4, то их сопротивления влияния на работу устройства не оказывают, поскольку они включены последовательно с большим входным сопротивлением повторителя 4.

Согласно результатам экспериментов заявляемое изобретение может найти применение в народном хозяйстве, где необходимо увеличение точности измерения переменных токов.

Заявляемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Изобретение можно использовать в электроизмерительной технике, в частности для измерения переменных токов в электроэнергетике. С целью повышения точности измерения переменного тока в устройство на основе пояса Роговского введена схема для периодической коммутации выводов обмотки пояса и обкладок конденсатора, входящего в состав интегратора, что обеспечивает возможность преобразования переменного тока с высокой точностью. 3 ил.

Измерительный преобразователь переменного тока, содержащий пояс Роговского с обмоткой на неферромагнитном каркасе, интегратор напряжения на основе конденсатора, резистора и операционного усилителя, причем неинвертирующий вход последнего заземлен, а инвертирующий вход подключен к упомянутому резистору, выход же упомянутого операционного усилителя является выходом устройства, отличающийся тем, что в него введены повторитель напряжения, генератор прямоугольных импульсов, логический инвертор и восемь ключей, причем первый вывод обмотки пояса Роговского через первый ключ подключен ко входу повторителя напряжения, а через второй ключ - к земляной шине, второй вывод обмотки пояса Роговского через третий и четвертый ключи также соединен соответственно со входом повторителя напряжения и земляной шиной, первые выводы пятого и шестого ключей соединены с инвертирующим входом упомянутого операционного усилителя, а вторые выводы пятого и шестого ключей соединены соответственно с первой и второй обкладками упомянутого конденсатора, первые выводы седьмого и восьмого ключей подключены к выходу упомянутого операционного усилителя, а вторые выводы - к первой и второй обкладкам упомянутого конденсатора соответственно, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами управления первого, четвертого, пятого и восьмого ключей непосредственно, а с входами управления второго, третьего, шестого и седьмого ключей - через логический инвертор, кроме того, выход повторителя напряжения через упомянутый резистор интегратора напряжения соединен с инвертирующим входом упомянутого операционного усилителя.