ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО СИГНАЛА В МНОГОФАЗНЫЙ Российский патент 2002 года по МПК H02M5/04 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к преобразователям однофазного сигнала в многофазный.

Простейшим преобразователем однофазного сигнала в многофазный (двухфазный) является широко известный индукционный трансформатор напряжения с противофазным включением обмоток. Недостатком такого устройства является малое количество фаз выходного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь однофазного сигнала в многофазный на основе фазорасщепителя, который собран на нескольких RC-цепочках (см. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М.: "Сов. Радио", 1977, стр. 86, рис. 2.52). Такое устройство принято за прототип. С помощью него можно увеличить количество фаз, но оно содержит инерционные элементы (конденсаторы), поэтому с увеличением количества фаз возрастает эквивалентная постоянная времени, что приводит к снижению быстродействия преобразователя.

Технический результат - повышение быстродействия преобразователя.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном преобразователе однофазного сигнала в многофазный, содержащем трансформатор напряжения с первичной и вторичной обмотками, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы, причем первый конденсатор и первый резистор, второй конденсатор и второй резистор, третий резистор и третий конденсатор, четвертый резистор и четвертый конденсатор соединены соответственно последовательно, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с другими выводами второго конденсатора и четвертого резистора, второй вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с другими выводами первого резистора и третьего конденсатора, средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с земляной шиной, выходами преобразователя являются выводы вторичной обмотки трансформатора, а также общие точки соединения соответственно первого конденсатора и первою резистора, второго конденсатора и второго резистора, третьего резистора и третьего конденсатора, четвертого резистора и четвертого конденсатора, особенность заключается в том, что в преобразователь введены четыре повторителя напряжения на основе операционных усилителей, причем первый вывод вторичной обмотки трансформатора через первый повторитель соединен с другим выводом первого конденсатора и через второй повторитель - с другим выводом третьего резистора, второй вывод вторичной обмотки трансформатора через третий повторитель соединен с другим выводом второго резистора и через четвертый повторитель - с другим выводом четвертого конденсатора.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах представлено: на фиг.1 показаны два фазовращателя, соединенные параллельно; на фиг.2 приведены кривые переходного процесса; на фиг.3 приведена схема предлагаемого устройства.

Преобразователь (фиг.3) содержит трансформатор напряжения 1, первый конденсатор 2, первый резистор 3, второй конденсатор 4, второй резистор 5, третий конденсатор 6, третий резистор 7, четвертый конденсатор 8, четвертый резистор 9, первый 10, второй 11, третий 12, четвертый 13 повторители напряжения. Выходами устройства являются выводы 14.

Работа преобразователя осуществляется следующим образом.

Напряжение с вторичной обмотки трансформатора 1 подается на RC-цепочки (фазовращатели), образованные резисторами 3, 5, 7, 9 и конденсаторами 2, 4, 6, 8. Эти цепи создают положительные и отрицательные фазовые сдвиги относительно входного напряжения. Выходные напряжения трансформатора 1 и каждой RC-цепочки являются выходными напряжениями преобразователями, которые снимаются относительно земляной шины.

В прототипе все фазовращатели соединены параллельно, поэтому возрастает эквивалентная постоянная времени такого устройства, что можно показать на примере двух фазовращателей (соединенных параллельно) при возникновении переходного процесса (фиг.1).

Пусть сопротивление первого фазовращателя в операторной форме

а второго

Тогда эквивалентное сопротивление

и характеристическое уравнение в этом случае имеет два корня:
p₁=-R₁C₁; p₂=-R₂C₂ (4)
а переходный процесс описывается суммой двух экспонент (для тока i, фиг. 1):
i=A₁e^P1t+A₂e^P2t (5)
что показано на фиг.2 (кривая 1). При наличии же только одного фазовращателя переходный процесс описывается одной экспонентой (кривые 2 и 3 на фиг.2):
i₁=A₁e^P1t или i₂=A₂e^P2t (6)
Длительность суммарной экспоненты (5) практически совпадает с длительностью одной из экспонент (6), но, если оценивать влияние переходного процесса, например, по среднему значению экспоненциальной составляющей, то в первом случае (при наличии двух параллельных фазовращателей) это влияние будет более значительным, поскольку амплитуда суммарной экспоненты выше. Этот факт можно расценивать как возрастание эквивалентной постоянной времени при увеличении количества параллельно соединенных фазовращателей.

Для устранения этого недостатка предлагается "развязка" RC-цепочек с помощью повторителей напряжения 10-13 (фиг.3), которые могут быть выполнены на основе операционных усилителей (ОУ), имеющих большое входное и малое выходное сопротивления. В этом случае переходный процесс (при его появлении) происходит в отдельности в каждом контуре, включающем трансформатор 1, один из повторителей напряжения (10; 1 1;12;13), одну из RC цепочек (2-3; 4-5; 7-6; 8-9). Поэтому в связи с вышесказанным снижается амплитуда экспоненциальной составляющей переходного процесса, т.е. влияние переходного уменьшается, что можно расценивать как увеличение быстродействия преобразователя по сравнению с прототипом. Причем вышеприведенный пример показан при двух фазовращателях, а при увеличении числа последних эффективность предложенного решения повышается.

Необходимо затронуть вопрос о влиянии постоянной времени повторителей напряжения 10-13. Для разомкнутого ОУ постоянную времени можно найти из выражения (см. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. -Л.: Энергоатомиздат, 1988. - С. 26):
(7)
где К - коэффициент усиления ОУ на низких частотах; f₁- частота единичного усиления. Например, для ОУ типа К 140 УД 6 τ_ОУ≈ 0,008 с (при К=50000 и f₁=1 мГц).

При охвате ОУ отрицательной обратной связью его постоянная времени уменьшается в (Kβ+1) раз, где Kβ- петлевое усиление. Для повторителя напряжения β = 1, поэтому она снижается в К раз. Например, для ОУ типа К 140 УД 6 τ_ОУ≈ 1,6•10^-7 с, т.е. имеет очень малое значение. Поэтому, если выбрать постоянные времени RC цепочек намного большими, чем постоянная времени повторителя (что не представляет трудности), то последние не будут влиять на длительность переходного процесса.

Таким образом, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной ниже формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств. Также устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к преобразователям однофазного сигнала в многофазный. Сущность изобретения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении быстродействия устройства. С этой целью в преобразователь на основе фазосдвигающих RC-цепочек введены повторители напряжения на основе операционных усилителей, с помощью которых производится развязка RC-цепочек, что снижает эквивалентную постоянную времени преобразователя. 3 ил.

Преобразователь однофазного сигнала в многофазный, содержащий трансформатор напряжения с первичной и вторичной обмотками, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы, причем первый конденсатор и первый резистор, второй конденсатор и второй резистор, третий резистор и третий конденсатор, четвертый резистор и четвертый конденсатор соединены соответственно последовательно, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с другими выводами второго конденсатора и четвертого резистора, второй вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с другими выводами первого резистора и третьего конденсатора, средняя точка вторичной обмотки трансформатора соединена с земляной шиной, выходами преобразователя являются выводы вторичной обмотки трансформатора, а также общие точки соединения соответственно первого конденсатора и первого резистора, второго конденсатора и второго резистора, третьего резистора и третьего конденсатора, четвертого резистора и четвертого конденсатора, отличающийся тем, что в преобразователь введены четыре повторителя напряжения на основе операционных усилителей, причем первый вывод вторичной обмотки трансформатора через первый повторитель соединен с другим выводом первого конденсатора и через второй повторитель - с другим выводом третьего резистора, второй вывод вторичной обмотки трансформатора через третий повторитель соединен с другим выводом второго резистора и через четвертый повторитель - с другим выводом четвертого конденсатора.