УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВОГО ДАТЧИКА РЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2018 года по МПК H02M7/00 H02J3/18 G01R21/06 

Изобретение относится к устройствам измерительной техники и может быть применено в качестве датчика реактивной составляющей переменного тока при автоматическом или ручном управлении реактивной мощностью узла нагрузки системы электроснабжения.

Реактивная мощность в узле нагрузки может носить индуктивный или емкостный характер, при этом ток соответственно отстает или опережает по фазе напряжение сети. Сигнал (постоянное напряжение) на выходе датчика может применяться в качестве обратной связи при автоматическом управлении компенсацией реактивной мощности, он должен быть пропорциональным реактивной составляющей переменного тока, положительным при индуктивном и отрицательным при емкостном характере нагрузки.

В источнике первого аналога (А.М. Брянцев, В.Н. Мозжерин. Датчик активного (реактивного) тока. Авторское свидетельство СССР. 949525, 19.06.1980. 3629739/24-21 (22) 03.08.83 (46) 15. 10.85. Алма-Атинский энергетический институт) приводится описание разработанного прибора, структурная схема которого изображена на рис. 1, а временные диаграммы на рис. 2.

«Устройство содержит трансформатор 1 (рис. 1) тока, фазочувствительный преобразователь, состоящий из токоограничивающего резистора 2 и масштабирующего резистора 3, образующих делитель напряжения, а также измерительного конденсатора 4, симистора 5 и запоминающего конденсатора 6, формирователь 7 импульсов управления, переключатель 8. Позицией 9 на схеме обозначена нагрузка сети.

Первичная обмотка трансформатора 1 тока включена в цепь фазы (например, «С») контролируемой сети. Первый из анодно-катодных выводов симистора 5 через токоограничивающий резистор 2 подключен к первому выводу вторичной обмотки трансформатора 1 тока. Выход формирователя 7 импульсов управления соединен с цепью управляющего электрода симистора 5.

Переключатель 8 включен между фазами контролируемой сети и входом формирователя 7 импульсов управления.

Масштабирующий резистор 3 и измерительный конденсатор 4 включены параллельно между первым анодно-катодным выводам симистора 5 и вторым выводом вторичной обмотки трансформатора 1 тока. Запоминающий конденсатор 6 включен между вторым аноднокатодным выводом симистора 5 и вторым выводом вторичной обмотки трансформатора 1 тока и своими обкладками соединен с выходными клеммами датчика.

Если трансформатор 1 тока включен в цепь фазы «С», то в положении «А» переключателя 8 вход формирователя 7 импульсов управления оказывается связанным с фазой «С» и нейтралью «0» трехфазной сети, а в положении «Р» с фазами «А» и «В» трехфазной сети.

Резисторы 2 и 3, конденсаторы 4 и 6 имеют параметры, которые удовлетворяют следующим условиям.

Постоянная времени сети конденсаторов 4 и 6 через сопротивление открытого симистора R_C должна быть не менее, чем на порядок меньше длительности управляющего импульса t_И формирователя 7, т.е.

где С₄ и С₆ емкости конденсаторов 4 и 6.

В результате симистор 5 после окончания действия управляющего импульса закроется, поскольку оба его анодно-катодных вывода будут иметь одинаковый потенциал, а ток, протекающий через симистор 5, к моменту окончания действия управляющего импульса будет равен нулю.

Выполнение условия (1) позволяет расширить диапазон измерения активной (реактивной) составляющей тока по углу ϕ разности фаз между током и напряжением сети от 0 до π без дополнительных переключений в схеме датчика, т.е. в конечном счете обеспечивает повышение надежности работы датчика.

Постоянная времени цепи заряда конденсатора 4 через резистор 2 должна быть не менее, чем на порядок меньше длительности периода Т сетевого напряжения:

Выполнение условия (2) обеспечивает требуемое быстродействие датчика.

Датчик активного (реактивного) тока работает следующим образом.

При наличии контролируемого переменного тока I в первичной обмотке трансформатора 1 тока, в цепи его вторичной обмотки через конденсатор 4 также протекает ток, пропорциональный контролируемому первичному току. При этом на конденсаторе 4 формируется напряжение U, пропорциональное контролируемому току I, но сдвинутое по его фазе на угол π/2.

Это напряжение с учетом наличия угла ϕ сдвига фаз между током I и напряжением контролируемой фазы сети равно:

где X_C4 - сопротивление конденсатора 4 на частоте контролируемого тока, I_m - амплитудное значение контролируемого тока, К₁ - коэффициент трансформации трансформатор 1 тока.

При измерении реактивной составляющей контролируемого тока I переключатель 8 переводится в положение «Р».

В этом случае на вход формирователя 7 управляющих импульсов поступает напряжение U_AB являющееся опорным в данном случае, сдвинутое на угол π/2 относительно напряжения U_C. Управляющие импульсы отпирают симистор 5 в момент прохождения нарастающей кривой опорного напряжения U_AB через нулевое значение.

Если измерительное напряжение U₄ опережает опорное U_ОП на угол ϕ, управляющий импульс отпирает симистор 5 с задержкой на угол ϕ по отношению к моменту перехода нарастающей кривой измерительного напряжения U₄ через нулевое значение. При этом на конденсаторе 6 формируется напряжение U₆ положительной полярности, равное

и пропорциональное реактивной составляющей контролируемого тока при активно-индуктивной нагрузке».

Недостатками первого аналога являются:

1. Утверждение, что «на конденсаторе 4 формируется напряжение U, пропорциональное контролируемому току I, но сдвинутое по его фазе на угол π/2» при выполнении условия (2) является не верным, так как необходимо учитывать активное сопротивление 2 и индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора тока в эквивалентной схеме замещения, поэтому угол сдвига по фазе не будет равен π/2, например, если R₂C₄=0,001 с, что на порядок меньше периода, фазовый сдвиг будет Δϕ=-arctgωT=-17,43°°, а не π/2.

2. В выражении (4) не учитывается падение напряжения при заряде конденсатора 6 на последовательно включенном с конденсаторами 4 и 6 активном сопротивлении 2.

3. Если на выход устройства параллельно конденсатору 6 подключать вольтметры с разными сопротивлениями, то из-за образующейся разной цепи разряда конденсатора получим разные значения показаний приборов.

Таким образом, нельзя с определенной точностью произвести тарировку данного устройства, например, нельзя точно вычислить величину реактивного тока при данном измеренном выходном напряжении.

В источнике второго аналога (В.В. Тропин, В.А. Кузьменко, Д.С. Мологин, О.С. Панова, Датчик реактивной мощности резкопеременной нагрузки для управления статическим компенсатором реактивной мощности. Заявка: 2012100347/07, подача заявки: 10.01.2012 публикация патента: 20.07.2013. Закрытое акционерное общество "Совместное предприятие "АО Ансальдо-ВЭИ".) приводится описание разработанного прибора, структурная схема которого изображена на рис. 3.

«Заявляемый датчик реактивной мощности содержит умножитель 1, умножающий сигнал тока данной фазы нагрузки сети и опорного напряжения, вектор которого синфазен вектору данной фазы нагрузки; набор режекторных фильтров 2, каскадно подключенных к выходу умножителя 1; фильтр 3 низкой частоты, вход которого соединен с выходом последнего каскада режекторных фильтров; фазовый корректор 4, соединенный с выходом фильтра 3 низкой частоты.

К входу умножителя 1 подключен дифференциатор 5. Дифференциатор 5 может быть выполнен в виде операционного усилителя DA с отрицательной обратной связью через резистор R, на инвертирующий вход которого входной сигнал поступает через конденсатор С, а неинвертирующий вход которого подключен к общей шине («нулевой точке»).

Техническим результатом является повышение эффективности работы датчика реактивной мощности за счет измерения не только реактивной составляющей тока нагрузки, но и измерения производной ее активной составляющей тока, являющейся по своей природе реактивной мощностью динамического режима нагрузки, что повышает в целом точность компенсации (подавления) с помощью СТК колебания напряжения в сети с РПН, вызывающих фликер. Технический результат достигается тем, что датчик реактивной мощности, содержащий умножитель сигналов тока данной фазы РПН сети и опорного синусоидального напряжения, каскадно включенные режекторные фильтры, подключенные к выходу умножителя, фильтр низкой частоты, подключенный к выходу последнего режекторного фильтра каскада, и фазовый корректор, соединенный с выходом фильтра низкой частоты, согласно изобретению дополнительно содержит дифференциатор, ко входу которого подключен сигнал тока, а выход подключен к токовому входу умножителя, при этом вектор опорного напряжения умножителя синфазен вектору напряжения данной фазы нагрузки. При этом дифференциатор выполнен в виде операционного усилителя (DA) с отрицательной обратной связью через резистор (R), на инвертирующий вход которого токовый сигнал поступает через конденсатор (С), а неинвертирующий вход которого подключен к общей шине («нулевой точке»).

Фазовый корректор 4 может быть выполнен в виде набора последовательно соединенных сглаживающе-форсирующих звеньев, каждое из которых состоит из операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через последовательную RC-цель соединен с общей точкой, а через параллельную RC-цель с выходной клеммой операционного усилителя, являющейся выходом сглаживающе-форсирующего звена, входом которого является неинвертирующий вход операционного усилителя.

Вывод по второму аналогу.

Дифференциатор на входе приводит полный ток к сдвигу по фазе относительно напряжения на величину угла +π/2, поэтому нельзя точно получить величину реактивной составляющей тока при данном измеренном выходном напряжении. Очевидно, что данный датчик имеет ограниченное применение, только при резко переменном увеличении или уменьшении полного тока нагрузки для компенсации реактивной мощности.

В источнике третьего аналога (Бенин В.Л. и Кизилов В.У. Статические измерительные преобразователи электрической мощности. М. «Энергия», 1972.) приводятся схемы, принцип действия и аналитические выводы преобразователей мощности с синусоидальным опорным напряжением, использующие свойства тригонометрических функций.

«На рис. 4а (сканированная копия) управление транзистором Т₁ осуществляется разностью постоянного тока I₂ и выпрямленного синусоидального тока , транзистор открыт в течение интервала времени, когда . Транзистор Т₁ является ключевым элементом амплитудного модулятора, питаемого выпрямленным синусоидальным напряжением , которое пропорционально току в измеряемой цепи. На рис. 4(б-д) приведены кривые наиболее характерных напряжений и токов в приведенной схеме множительно-делительного устройства при условии, что напряжения u₁ и u₃ синусоидальны и сдвинуты по фазе на угол γ».

Далее приводится аналитическое доказательство, что среднее напряжение u_H на резисторе r_H (рис. 4д) пропорционально активной мощности в измеряемой цепи.

На рис. 5 (сканированная копия) приведена принципиальная схема преобразователя на основе множительно-делительного устройства, изображенного на рис. 4.

На схеме первичными датчиками являются трансформатор тока ТТ, нагрузкой которого является активное сопротивление r_T, и трансформатор напряжения ТН, с первой вторичной обмотки которого напряжение выпрямляется выпрямителем В₂ и фильтруется цепью r₂, с₂, с второй вторичной обмотки напряжение поступает на базы транзисторов Т₂, Т₃ для создания прямоугольных импульсов во вторичной обмотке трансформатора ТМ. Генератор прямоугольных импульсов питается напряжением U₀ от стабилизатора напряжения СН. Переменное напряжение прямоугольной формы u_M с вторичной обмотки ТМ преобразуется в синусоидальное опорное напряжение с помощью пассивного фильтра низких частот L₁, L₂, С₁, которое сдвигается по фазе этим фильтром приближенно на 90°. точная настройка фазового сдвига на 90° производится цепью r_ϕ, С_ϕ, L_ϕ.

Недостатками третьего аналога являются: сложность технической реализации пассивного фильтра низких частот L₁, L₂, С₁, особенно при изготовлении индуктивностей, с помощью одного каскада фильтра маловероятно получить эталонное синусоидальное напряжение.

Анализ показывает, что в устройстве (рис. 5) нет амплитудной модуляции, также нет умножения и деления. Под умножением понимается, если увеличить напряжение, например, в два раза, то сила тока тоже увеличится в два раза, а мощность увеличится в четыре раза, соответственно увеличатся длительность и амплитуда импульсов в два раза, а напряжение на выходе в четыре раза - это нельзя назвать умножением, так как трудно сделать пропорциональность напряжения - длительности импульса и тока - амплитуды импульса. Выходной сигнал низкого уровня, при этом требуется дополнительное усиление.

В первом и третьем аналогах заложен одинаковый принцип измерения мгновенного значения величины тригонометрической функции изменяющейся по синусоидальному закону за счет измерения этой величины на коротком отрезке времени. Чем меньше отрезок времени тем точнее измерение, однако при этом среднее значение на выходе датчика будет малой величины, при этом требуется установка дополнительного усилителя напряжения.

Реактивная составляющая переменного тока I_P определяется по формуле

где I - сила тока в сети (полный ток), ϕ - угол сдвига по фазе между током напряжением.

В заявляемом изобретении необходимо измерять синус угла сдвига по фазе между током и напряжением, поэтому в качестве прототипа принято устройство использующие свойства тригонометрических функций.

В источнике прототипа «В.С. Осипов, И.А. Шайдуров, А.Н. Татарников. Устройство аналогового датчика коэффициента мощности. Патент на полезную модель №143538, заявка №2013159060, приоритет 30.12.2013, зарегистрировано 23.06.2014» приводятся схемы, принцип действия и аналитические выводы устройства аналогового датчика коэффициента мощности, где измерение производится с использованием свойств тригонометрических функций.

Структурная схема устройства аналогового датчика коэффициента мощности приведена на рис. 6, принципиальная схема, на которой элементы выделены пунктиром и обозначены в соответствии с структурной схемой, приведена на рис. 7.

В канале тока первичным датчиком является промежуточный трансформатор тока 1, вторичная обмотка которого включена на нагрузочное сопротивление. Напряжение с этого сопротивления U₁, пропорциональное току, подается на вход двух последовательно включенных фильтров низких частот 2, 3 второго порядка с нулевым смещением, на выходе которых выделяется первая гармоника с постоянной составляющей U₂. Полученный сигнал поступает на фильтр высоких частот 4, который пропускает только переменную составляющую U₃. Полученная первая гармоническая составляющая подается одновременно на два канала. В первом канале переменный сигнал U₄ сдвигается по фазе фазосдвигающим устройством 5 на (8-10)°, с которого поступает на вход компаратора 6 для преобразования синусоиды в прямоугольные импульсы. Во втором канале переменный сигнал U₃ подеется на компаратор 7 без сдвига по фазе также для получения прямоугольных импульсов. С выходов обоих компараторов диодами выделяются положительные импульсы, которые нормализуются элементами И - НЕ U₅, U₆. Импульсы с элементов И - НЕ поступают на входы исключающего ИЛИ 8, на выходе которого U₇ короткие импульсы (8-10)°, которые затем инвертируются U₈ элементом И - НЕ 9, с которого они поступают на базу транзистора импульсно - фазового, амплитудного преобразователя 10.

В канале напряжения первичным датчиком является трансформатор напряжения 11, переменное напряжение с которого преобразуется в прямоугольные разнополярные импульсы компаратором 12. С компаратора импульсы поступают на вход интегратора 13, на выходе которого будет напряжение треугольной формы, которое лучше и точнее преобразуется в эталонное синусоидальное напряжение с помощью двух последовательно включенных фильтров низких частот 14, 15. Полученное синусоидальное напряжение подается на вход фазовращателя 16, с помощью которого можно изменять фазу в широких пределах переменным резистором. Затем эталонное напряжение подается на вход прецизионного выпрямителя 17, с которого напряжение в виде положительных полуволн U₉ подается на коллектор транзистора импульсно - фазового, амплитудного преобразователя 10. С выхода которого импульсы поступают на фильтр постоянного тока и усилитель 18, к выходу которого U₁₀ может быть подключен измерительный прибор 19.

Таким образом полученное эталонное напряжение в виде положительных полуволн синусоидальной формы используется как тригонометрическая функция из которой в виде коротких импульсов получается сигнал пропорциональный косинусу угла сдвига между напряжением и током или коэффициенту мощности.

Прямоугольный сигнал из канала измерения тока и синусоидальный сигнал из канала измерения напряжения подаются на устройство сигнализации 20, дающее информацию об отставании или опережении по фазе тока от напряжения. Светодиод светит, когда ток отстает от напряжения и не светит, когда ток опережает напряжение.

Цель изобретения - устройство аналогового датчика реактивной составляющей переменного тока с аналоговым выходным напряжением пропорциональным реактивной составляющей переменного тока может применяться в качестве датчика обратной связи при автоматическом управлении компенсацией реактивной мощности за счет изменения тока возбуждения синхронных двигателей, либо переключения компенсирующих устройств. При этом датчик должен иметь высокое быстродействие (постоянная времени 0,04 с.), погрешность не более 3%, уровень выходного напряжения не менее 5,0 В в номинальном режиме работы системы электроснабжения, возможность расчета коэффициента передачи, выходное напряжение должно быть пропорционально реактивной составляющей переменного тока, положительно при индуктивном и отрицательно при емкостном характере нагрузки.

Технический результат достигается тем, что в устройстве аналогового датчика реактивной составляющей переменного тока для получения коротких импульсов стабильной длительности применяется генератор пилообразного напряжения и два оптронных транзистора, импульсно-фазовый преобразователь выполнен на операционном усилителе, вырабатывается эталонное синусоидальное напряжение, которое используется в качестве тригонометрической функции для определения синуса угла сдвига по фазе между током и напряжением, применяется множительная микросхема, при этом не требуется дополнительного усиления сигнала, что уменьшает погрешность измерения.

В заявляемом изобретении структурная схема устройства аналогового датчика реактивной составляющей переменного тока приведена на рис. 8, принципиальная схема, на которой элементы выделены пунктиром и обозначены в соответствии с структурной схемой, приведена на рис. 9.

Элементы схем:

1 - промежуточный трансформатор тока, включенный на нагрузочный резистор, на котором напряжение пропорциональное току измеряемой цепи;

2 - фильтр низких частот в канале тока, второго порядка, с нулевым смещением и с повторителем на выходе;

4 - фильтр высоких частот, пропускающий без ослабления частоту 50,0 Гц. и не пропускающий постоянную составляющую тока;

11 - трансформатор напряжения с выходом 6,0 В;

12 - компаратор на операционном усилителе не инвертирующий;

13 - интегратор для получения разнополярного напряжения треугольной формы;

14, 15 - два последовательно включенных фильтра низких частот в канале напряжения, второго порядка, с нулевым смещением и с повторителем на выходе;

18 - линейны фильтр на операционном усилителе для выделения постоянной составляющей;

21 - компаратор на операционном усилителе инвертирующий;

22 - генератор пилообразного напряжения на операционном усилителе;

23 - нуль орган (компаратор) на операционном усилителе с смещением;

24 - два оптронных транзистора соединенные встречно параллельно, включаемые одновременно одним биполярным транзистором;

25 - фильтр высоких частот, пропускающий без ослабления частоту 50,0 Гц. и не пропускающий постоянную составляющую тока;

26 - два фазовращателя включенных последовательно для сдвига фазы в сторону опережения и отставания;

27 - Импульсно-фазовый преобразователь на операционном усилителе с регулируемым коэффициентом усиления;

28 - прецизионный выпрямитель с фильтром, регулируемым коэффициентом усиления и положительным напряжением на выходе;

29 - множительное устройство (интегральная микросхема).

В канале тока первичным датчиком является промежуточный трансформатор тока 1, вторичная обмотка которого включена на нагрузочное сопротивление. Напряжение с этого сопротивления U₁, пропорциональное току, подается на вход фильтра низких частот 2 второго порядка с нулевым смещением. Полученный сигнал поступает на фильтр высоких частот 4, который пропускает только переменную составляющую U₂. Полученная первая гармоническая составляющая подается на компаратор 21, на выходе которого с учетом включенного диода будут прямоугольные через полупериод положительные импульсы U₃. Эти импульсы подаются на базу транзистора генератора пилообразного напряжения 22, на выходе которого будет через полупериод пилообразное напряжение U₄. Напряжение U₄ подается на вход нуль органа 23, где оно суммируется с отрицательным напряжением смещения, изменением величины которого регулируется длительность импульсов U₅ с учетом диода на выходе нуль органа. Напряжение U₅ подается на базу биполярного транзистора управляющего оптронными транзисторами 24 соединенными встречно параллельно, которые шунтируют в открытом состоянии цепь обратной связи импульсно-фазового преобразователя 27, выполненного на операционном усилителе, при этом цепь обратной связи не шунтируется на коротком отрезке времени измерения синуса угла фазового сдвига между током и напряжением.

Диаграммы напряжений приведены на рис. 10 с указанием напряжений в контрольных точках.

В канале напряжения первичным датчиком является трансформатор напряжения 11, переменное напряжение с которого преобразуется в прямоугольные разнополярные импульсы компаратором 12. С компаратора импульсы поступают на вход интегратора 13, на выходе которого будет напряжение треугольной формы, которое лучше и точнее преобразуется в эталонное синусоидальное напряжение с помощью двух последовательно включенных фильтров низких частот 14, 15. Напряжение с фильтров подается на фильтр высоких частот 25 для исключения постоянной составляющей. Полученное синусоидальное напряжение подается на вход двух фазовращателей 26 включенных последовательно для сдвига фазы в сторону опережения и отставания, что небходимо для наладочного режима. С выхода фазовращателей эталонное переменное напряжение подается на вход импульсно-фазового преобразователя 27, на выходе которого будут короткие импульсы U₆ (рис. 11) на отрезках времени, когда не зашунтирована обратная связь, они будут повторяться через период и пропорциональны по величине синусу угла фазового сдвига между током и напряжением. Эти импульсы могут быть как положительными так и отрицательными, их среднее значение может быть равным нулю при отсутствии фазового сдвига.

Таким образом полученное эталонное напряжение синусоидальной формы используется как тригонометрическая функция из которой в виде коротких импульсов получается сигнал пропорциональный синусу угла сдвига между напряжением и током.

На рис 11 показаны временные диаграммы импульсов измерения синуса угла сдвига по фазе с указанием напряжений в контрольных точках.

Из канала тока после фильтра высоких частот 4 напряжение пропорциональное полному току подается на прецизионный выпрямитель 28 с фильтром выходного напряжения, которое подается на один вход множительного устройства 29. На второй вход подается напряжение после фильтра 18 пропорциональное синусу угла фазового сдвига между током и напряжением.

На выходе множительного устройства 29 получаем напряжение пропорциональное реактивной составляющей переменного тока.

Таким образом, например, при первичном трансформаторе тока 400/5 получим коэффициент передачи 40 А/В. Если фазовый сдвиг, например, равен 30°, то при токе 400,0 А в первичной сети, получим на выходе множительного устройства 5,0 В, а реактивная составляющая будет 40×5=200,0 А.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники позволило выявить в них признаки, не совпадающие с заявленным решением, что позволяет сделать вывод о том, что изобретение имеет изобретательский уровень. Изобретение является промышленно применимым, т.к. оно может быть использовано в качестве датчика систем регулирования реактивной мощности систем электроснабжения. Заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».

НАЛАДОЧНЫЙ РЕЖИМ СХЕМЫ

В режиме наладки в первичной цепи трансформатора тока пропускается ток 5 А, вторичная обмотка замыкается на переменный резистор, с помощью которого устанавливается напряжение на этом резисторе равное напряжению с трансформатора напряжения. Затем отключается трансформатор тока и на токовый вход подается напряжение с трансформатора напряжения, то есть равные напряжения на оба входа. Резистором смещения нуль органа устанавливаются импульсы U₅ приближенно по длительности равные 0,05 длительности периода. Переменным резистором фазовращателя по осциллографу устанавливается опережающий фазовый сдвиг +90°, затем резистором усилителя 27 устанавливается напряжение на выходе фильтра 18, у которого коэффициент усиления равен двум, равное U₇=1,0 В. Затем резистором фазовращателя 26 устанавливается нулевой фазовый сдвиг, при этом напряжение на выходе фильтра 18 равно нулю. Резистором выпрямителя 28 устанавливается напряжение 10,0 В при токе трансформатора тока 5,0.А. Затем производится настройка множительной микросхемы, у которой устанавливается коэффициент пропорциональности равный единице.

Балансировка множительной микросхемы состоит из трех этапов:

Этап 1. Вывод X соединяем с общим проводом, на вывод Y подаем напряжение от среднего вывода потенциометра, соединенного крайними выводами с плюсом и минусом питания. Сопротивление потенциометра 20-40 кОм. Таким образом на вывод Y мы можем подать напряжение от плюса питания до минуса. Замеряем напряжение на выходе микросхемы (ножка 2). Подстраиваем потенциометр, соединенный с выводом X_CM, так, чтобы напряжение на выходе не зависело от напряжения на входе Y.

Этап 2. Вывод Y соединяем с общим проводом, на вывод X подаем напряжение от среднего вывода того же потенциометра, с которого подавали напряжение на Х на предыдущем этапе. Замеряем напряжение на выходе микросхемы (ножка 2). Подстраиваем потенциометр, соединенный с выводом Y_CM, так, чтобы напряжение на выходе не зависело от напряжения на входе X.

Этап 3. Выводы Х1 и Y1 соединяем с общим проводом. Замеряем напряжение на выходе микросхемы (ножка 2). Подстраиваем потенциометр, соединенный с выводом Z_CM, так, чтобы напряжение на выходе было рано нулю.

ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМЫ

Фазовращатель

Фазовращатель (рис. 12) состоит из двух последовательно включенных звеньев с коэффициентами усиления на любых частотах, при R₂=R₃, равными 1,0 и передаточными функциями вида

Уравнения фазовых характеристик

ϕ₁(ω)=-2arctg(ω(R₅+R₄)С) ϕ₂(ω)=180-2arctg(ωR₁C)

Из этих уравнений, задаваясь С=0,22 мкФ, получим, что при

R₅=1,0 кОм, R₄=0, будет ϕ₁=-7,9°, а при ϕ₂=+110° найдем R₁=10,0 кОм.

Чтобы сделать отрицательный фазовый сдвиг -130° найдем R₄=33. кОм.

В результате получим диапазон от -27,9° до +102,1°.

Список документов, цитированных в отчете о поиске

Поиск производился в поисковой системе www.fips.ru в областях запроса «Аналоговый датчик реактивного тока, мощности», «Устройство для измерения реактивного тока, мощности». «Датчик реактивной составляющей тока».

Всего просмотрено более 12 рефератов, а также материалы открытой печати и материалы в интернете. Из них проанализированы, наиболее пригодные по тематике, следующие работы:

1 А.М. Брянцев, В.Н. Мозжерин. Датчик активного (реактивного) тока. Авторское свидетельство СССР. 949525, 19.06.1980. 3629739/24-21 (22) 03.08.83 (46) 15. 10.85. Алма-Атинский энергетический институт

2 В.В. Тропин, В.А. Кузьменко, Д.С. Мологин, О.С. Панова. Датчик реактивной мощности резкопеременной нагрузки для управления статическим компенсатором реактивной мощности. Заявка: 2012100347/07, подача заявки: 10.01.2012 публикация патента: 20.07.2013. Закрытое акционерное общество "Совместное предприятие "АО Ансальдо-ВЭИ".

3. В.Л. Бенин, В.У. Кизилов Статические измерительные преобразователи электрической мощности. М. «Энергия», 1972.

4 В.С. Осипов, И.А. Шайдуров, А.Н. Татарников. Устройство аналогового датчика коэффициента мощности. Патент на полезную модель №143538, заявка №2013159060, приоритет 30.12.2013, зарегистрировано 23.06.2014

Анализ устройств в приведенных источниках

В [1] приводится описание датчика активного (реактивного) тока, сущность работы которого заключается в том, что в моменты перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль подаются короткие управляющие импульсы на симистор, который открывается и напряжением пропорциональным току в данный момент времени быстро заряжается запоминающий конденсатор, напряжение на котором и является выходной величиной пропорциональной активному (реактивному) току.

Приведенный датчик не позволяет точно измерить величину реактивного тока. В устройстве, например, не учитывается падение напряжения на последовательно включенном с конденсатором активном сопротивлении. Затруднительно с определенной точностью произвести тарировку данного устройства, например, нельзя точно вычислить величину реактивного тока при данном измеренном выходном напряжении. Выходное напряжение будет разным при разной величине сопротивления нагрузки датчика из-за разряда запоминающего конденсатора.

В [2] приводится описание датчика реактивной мощности резкопеременной нагрузки для управления статическим компенсатором реактивной мощности. В устройстве на вход множительного элемента подаются напряжение и ток через дифференциатор. После множительного устройства последовательно включены фильтры различного типа.

Очевидно, что дифференциатор приводит полный ток к сдвигу по фазе относительно напряжения приближенно на величину угла +π/2, поэтому нельзя точно получить величину реактивной составляющей тока при данном измеренном выходном напряжении. Данный датчик имеет ограниченное применение, только при резко переменной нагрузке для компенсации реактивной мощности

В [3] приводится датчик активной мощности, с ключевыми словами названий: «время - импульсный преобразователь средней мощности», «транзистор является ключевым элементом амплитудного модулятора», «множительно-делительное устройство, использующее свойства тригонометрических функций», который может работать только в цепях с синусоидальными формами тока и напряжения. Под умножением понимается, если увеличить напряжение, например, в два раза, то сила тока тоже увеличится в два раза, а мощность увеличится в четыре раза, соответственно увеличатся длительность и амплитуда импульсов в два раза, а напряжение на выходе в четыре раза - это нельзя назвать умножением, так как трудно сделать пропорциональность сигналов, кроме того измерение может производиться только в одном квадранте.

В [4] приводится описание аналогового датчика коэффициента мощности. В датчике имеются канал тока и канал напряжения. В канале напряжения формируется эталонное синусоидальное напряжение, которое после прецизионного выпрямителя подается на коллекторную цепь транзистора. В канале тока с помощью исключающего ИЛИ формируются короткие импульсы управления в каждый полупериод, которые подаются на базу транзистора, тем самым на коротком отрезке времени разрешая проходить току по коллектору. Выходное напряжение в виде коротких импульсов зависит от фазы между током и напряжением и величины эталонного напряжения и пропорционально коэффициенту мощности. При этом используются свойства тригонометрических функций.

В заявляемом изобретении определение реактивной составляющая переменного тока I_P=I sin ϕ связано с измерением синуса угла сдвига между током и напряжением, поэтому аналоговый датчик коэффициента мощности принят в качестве прототипа, в этих датчиках есть аналогичные элементы устройства, но и существенные различия, так как требуется установка дополнительных устройств и измерение нечетной функции, поэтому она должна принимать как положительные так и отрицательные значения.

Устройство аналогового датчика реактивной составляющей переменного тока относится к измерительной техники и может быть применено в качестве датчика реактивной составляющей переменного тока при автоматическом или ручном управлении реактивной мощностью узла нагрузки системы электроснабжения. Сигнал на выходе датчика может применяться в качестве обратной связи при автоматическом управлении, он должен быть пропорциональным реактивной составляющей переменного тока, положительным при индуктивном и отрицательным при емкостном характере нагрузки. Первичными датчиками является промежуточный трансформатор тока и трансформатор напряжения одной фазы сети. В канале тока напряжение, пропорциональное току после фильтров низких и высоких частот с помощью компаратора и генератора пилообразного напряжения, преобразуется в короткие импульсы, которые поступают на базу биполярного транзистора, управляющего оптронными транзисторами, соединенными встречно параллельно, которые шунтируют в открытом состоянии цепь обратной связи импульсно-фазового преобразователя, выполненного на операционном усилителе, при этом цепь обратной связи не шунтируется на коротком отрезке времени измерения синуса угла фазового сдвига между током и напряжением. В канале напряжения формируется эталонное напряжение синусоидальной формы, которое подается на вход фазовращателя, с которого напряжение подается на вход импульсно-фазового преобразователя, на выходе которого получается сигнал, пропорциональный синусу угла сдвига между напряжением и током в виде коротких импульсов, этот сигнал фильтруется и подается на вход множительной микросхемы. На второй вход этой микросхемы подается выпрямленное и отфильтрованное напряжение, пропорциональное току измеряемой сети. В результате перемножения получается напряжение, пропорциональное реактивной составляющей тока, при этом выходное напряжение может быть как положительным, так и отрицательным, не требуется дополнительного усиления выходного напряжения. 12 ил.

Устройство аналогового датчика коэффициента мощности в канале тока с нагрузочного резистора трансформатора тока напряжение поступает на два последовательно включенных активных фильтра низких частот второго порядка с нулевым смещением для выделения напряжения первой гармоники пропорционального току, которое подается на фильтр высоких частот первого порядка, в канале напряжения с трансформатора напряжения переменное напряжение подается на вход компаратора, с которого разнополярные прямоугольные импульсы подаются на интегратор, напряжение треугольной формы с которого подается на два последовательно включенных активных фильтра низких частот второго порядка с нулевым смещением для получения эталонного синусоидального напряжения, на выходе установлен линейный фильтр на операционном усилителе, отличающееся тем, что в канале тока после фильтра высоких частот напряжение подается на один компаратор, положительная составляющая с выхода которого поступает на вход генератора пилообразного напряжения, выходное напряжение генератора сравнивается с напряжением смещения на входе нуль органа, в результате на выходе нуль органа формируются короткие импульсы в каждый период, которыми открывается транзистор в цепи двух оптронных транзисторов, переходы эмиттер-коллектор которых включены встречно параллельно, этими переходами шунтируется цепь обратной связи импульсно-фазового преобразователя, выполненного на операционном усилителе, в канале эталонного напряжения установлен фильтр высоких частот, с которого напряжение поступает на вход двух последовательно включенных фазовращателей, с которых переменное напряжение подается на вход импульсно-фазового преобразователя, с выхода которого напряжение пропорциональное синусу угла сдвига между током и напряжением подается на фильтр постоянного тока, а затем поступает на один из входов множительной микросхемы, кроме того, в канале тока после фильтра высоких частот установлен прецизионный выпрямитель с фильтром постоянного тока, напряжение с которого подается на второй вход множительной микросхемы, на выходе которой напряжение пропорционально реактивной составляющей переменного тока.