Автобалансный высоковольтный делитель напряжения постоянного тока Советский патент 1983 года по МПК H02M3/06 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к контрольно-измерительной высоковольтной аппаратуре, и может быть использовано для точных измерений постоянных напряжений в электротехнических и : лектрофизических установках.

Известен высоковольтный делител напряжения (ДН) постоянного тока, содержащий последовательно .соединеные резисторы, один из которых составляет высоковольтное (ВВ), а другой - низковольтное (НВ) плечи делителя. Погрешность коэффициента деления такого делителя зависит от стабильности- сопротивлений его плеч. Погрешность определяется в основном нестабильностью ВВ плеча, делителя, которое набирают, как првило, из большого числа последовательно соединенных резистивных элементов или используют жидкостные сопротивления, выполненные в виде трубок из изоляционного материала, запол 1 нных раствором электролита CНедостатком жидкостных делителей является их низкая стабильность , так как сопротивление электролита сильно зависит от температуры (2-3%/t:) , а также от процессов электролиза. Это препятствует применению жидкостных ДН при точных измерениях несмотря на их конструктивную простоту и дешевизну.

В обоих вариантах исполнения ВВ плеча делителя его погрешность с ростом измеряемого напряжения возрастает. Основные причины этого: влияние токов утечки; нелинейная зависимость сопротивления ВВ плеча от напряжения; возникновение коронирования и температурная зависимость параметров, возрастающая с ростом рассеиваемой мощности C2J

Недостатком делителя является также сложность его аттестации, для проведения которой требуется применение более точных образцовых измерительных средств,

Известен высоковольтный компенсатор напряжения, основу которого составляет автобалансный высоковольтный делитель напряжения. Он образован резисторным ДН, в плечо которого включен управляемый резистивный элемент (УРЭ) с сопротивлением, зави.сящим от выходного сигнала схемы его фазочувствительного управления (схемы ФЧУ), подключенной через модулир5тощий ключ к плечам ДН З.

Однако данное устройство отличается сложной контактной схемой коммутации ((юдуляции ) и демодуляции. Например, с целью исключения влияния коммутационных переходных процессов на демодуляцию, в устройст во введен стробирующий формирователь опорного напряжения, подаваемого на фазовый дискриминатор схемы ФЧУ. Наличие контактной схемы снижает надежность работы и быстродействие устройства.

Работа устройства связана с калиброванной модуляцией параметров (сопротивлений) плеч высоковольтного ДН (этот принцип развит в последующих изобретениях Г и 5).

Основной недостаток устройства невысокая точность измерений, так как погрешность измерений зависит от величины измеряемого напряжения от параметров модулирующего ключа, от величины подключенной к делителю нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому является высоковольтный делитель напряжения постоянного тока, содержащий высоковольтный рёзисторный ДН, образованный последовательно соединенными ВВ резистором (высоковольтное плечо), образцовым НВ резисторным делителем и низковольтным плечом с управляемым линейным резистивным элементом, сопротивление которого зависит от выходного сигнала схемы его фазочувствительного управления, подключенной к выходу образцового делителя. Выходом устройства является выход образцового делителя.

Работа устройства связана с модуляцией тока, протекающего через ВВ резйсторный делитель напряжения осуществляемой с помощью модулирующего ключа, который в течение каждого полупериода частоты модуляции шунтирует образцовый резйсторный делитель . Момент равновесия измерительной цепи соответствует нулевому переменному напряжению на входе схемы ФЧУ. При нарушении .равновесия схема ФЧУ вырабатывает регулирующее воздействие, которое изменяет величину сопротивления управляемого элемента в таком направлении, чтобы уменьшить сигнал небаланса.

Как и в предьщущем рассмотренном устройстве, здесь предполагается отсутствие влияния переменной составляквдей тока ВВ делителя на величину измеряемого напряжения, т.е. выходное сопротивление источника измеряемого напряжения на переменном токе полагается равным нулю Сб J.

Высоковольтному резисторному делителю напряжения присущи следую щие недостатки.

Зависимость точности измерений от величины измеряемого напряжения - при уменьшении напряжения

погрешность возрастает, так как коэффициент усиления схемы ФЧУ пря МО пропорционален измеряемому напряжению. При напряжении, близком к нулю, ток через делитель мал, следовательно, ток модуляции также мал, а коэффициент усиления близок к нулю. При нулевом измеряемом нап- ряжении схема ФЧУ полностью неработоспособна и не реагирует на изменения сопротивления ВВ -резистора делителя.

Кроме того, поскольку коэффициент усиления схемы ФЧУ прямо про- порционалён току модуляции, точность измерений прямо пропорционалйна напряжению на модулирующем клю-; че. Изготовление же ключей (как электронных, так и электромеханических) .на напряжение в единицы и десятки киловольт представляет, значительные технические трудности, 1Дополнительные сложности связаны .при этом и со схемой управления ключом, поскольку.он находится под напряжением. Все это препятствует достижению высокой точности измере

НИИ .

Точность 1 змерений зависит и от таких парамет в модулирующего клюг ча, входящих в выражение для коэффициента деления, как его сопротивление в открытом и за:крытом состояниях. Особенно велико указанное влияние при использовании электрон ных полупроводниковых ключей, параметр которалх уступают параметрам электромеханических ключей и силь- но зависят от температуры. Использование же в известном устройстве. электромеханических ключей снижает надежность и быстродействие устройства так как они имеют небольшой срок службы и низкие частоты коммутаций. Заметим, что электронные ключи киловольтового диапазона также не отличаются высокой надеж ностью, что связано, в частности, с их сложностью и тяжелыми условиями работы (импульсные перенапряжения) в ВВ днлителях.

Зависимость коэффициента деления напряжения от величины подключенной к делителю нагрузки ограничивает класс измерительных прибо-, ров, которые могут быть использованы при работе с данным ДН, и уврличивает погрешность измерений. у

Целью изобретения является по- вышение точности измерений, исключение влияния нагрузки, делителя на величину коэффициента деления, а также расширение его функциональных возможностей за счет обеспечения возможности нзмерений коэффц. циентов деления и величин сопротивлений плеч делителя.

Поставленная цель достигается . тем, что в высоковольтный резисторный делитель напряжения, содержащий последовательно соединенные ВВ резистор (высоковольтное плечо) и низковольтное плечо с включенным в него управляемым линейным резистивным элементом, сопротивление которого зависит от выходного сигнала последовательно соединенных схемы фазо- .

Q чувствительного управления, связанной с плечами делителя, и блока формирования регулирующего воздействия, введены источник периодических колебаний (ИПК), подклюе чинный к трансформатору напряжения СРН), индуктивный компаратор токов (КТ), .плечевые обмотки которого соединены последовательно с плечевыми- обмотками трансформатора.напряжения и плечами делителя, уси0 лйтель, вход которого соединен с выходом Компаратора, а выход .- с входом схемы ФЧУ, а также блоки ровочный конденсатор, соединяющий общую точку плечевыхобмоток трансформатора напряжения с общей для входа и выхода клеммой делителя, причем плечевые обмотки трансформатора напряжения, компаратора токов и плечи делителя включены,пос0 ледовательНо друг с другом, выход компаратора токов включен на последовательно соединенные усилитель, схему фазочувствительного управления и блок формирования регулирующего воздействия, а нагрузка делителя подключена, параллельно его низковольтному плечу.

Кроме того, в делитель введены компенсационная обмотка, располоп женная на компараторе токов и соединенная одНим своим выводом с выходом усилителя, измеритель и сдвоенный переключатель режимов работы, перекидные контакты которого соединены с входом и выходом схемы

5 ФЧУ, а неподвижные - соответствен.но с выводами компенсационной обмот ей и с входами блока фор1 отрования регулирующего воздействия и измерителя .

0 ;

Перекидные контакты переключателя отсоединяют вход схемы ФЧУ от выхода усилителя, а ее выход -от входа блока формирования регулирующего воздействия, и замыкают вход схемы ФЧУ на другой вывод компенсационной обмотки, а выход схемы ФЧУ - на измеритель, регистрирующий ее выходное напряжение. Нагрузг

0 ка делителя подключена параллельно его НВ плечу.

В предлагаемом устройстве модулирующий ключ отсутствует. Это повышает надежность работы устройст5 Ьа, его быстродействие и точность измерений, так как исключены присущие ключу недостатки. Кроме своего основного назначения - работы в качестве высоковоль ного делителя напряжения - изобретение предназначено также для использования в качестве измерителя параметров делителей. С его помощь можно определять коэффициент деления и величины сопротивлений плеч делителя. С этой целью используется-режим работы, при котором к выходу схемы ФЧУ подключен измеритель выходного сигнала, а на ее вход подается выходной сигнал преоб разователя разности МДС компаратора в напряжение. Отсчет показаний измерителя производства дважды при разных числах витков плечевой обмотки ТН; затем по приведенным ниже формулам определяют искомые параметры делителя. На фиг. 1 представлена схема пре лагаемого устройства; на фиг. 2 его основной вариант, полученный пу тем перестановки местами источника периодических колебаний и схемы, управляющей сопротивлением НВ плеча делителя. Устройство (фиг. 1) содержит ВВ резистор 1 (высоковольтное плечо делителя), последовательно с которьом включены плечевая обмотка 2 компаратора 3 токов с числом витков, Е)егулируемьа/1 переключателем 4 плечевые обмотки 5 и 6 трансформатора 7 напряжения с числами витков регулируемыми переключателями 8 и 9соответственно/ плечевая обмотка 10компаратора 3 токов и управляемое низковольтное плечо 11, параллельно которому подключена цепь 12 нагрузки. Общая точка плечевйх обмоток 5 и 6 соединена с входной кле мой делителя блокировочным конденсатором 13. Трансформатор напряжения включен на источник 14 периодических колебаний. Разность МДС плечевых обмоток 2 и 3 КТ преобразуется в напряжение с помощью преоб разователя 15, содержащего усилитель 16, на вход которого включена измерительная обмотка 17, а на выход - компенсационная обмот ка 18. Подключение этой обмотки последовательно с образцовым резис тором 19 осуществляется с помощью сдвоенного переключателя 20 режимо работы. Напряжение преобразователя 15 поступает на схему ФЧУ 21, выходной сигнал которой подается либо на бло 22 формирования регулирующего воздействия и с его помощью управляет величиной сопротивления резистивного элемента НВ плеча 11 делителя, либо на измерителе 23, регистрирующий выходной сигнал схемы ФЧУ. Опорное напряжение на схему ФЧУ подается с вспомогательнойобмотки, расположенной на ТН 7. Соединение плеч делителя с компаратором токов осуществляется в точках 24 и 25. Устройство СФиг. 1) в зависимости от положения переключателя 20 может, работать в двух режимах: в качестве автобалансного высоковольтного делителя напряжения постоянного тока (оба подвижных контакта переключателя 20 в нижнем положении) режим ДН, либо в качестве измерителя коэффициента деления (переключатель в верхнем положении), т.е. в качестве схемы поверки делителя напряжения без отключения его от измеряемого напряжения, или в качестве измерителя сопротивлеНИИ плеч делителя - режим и. В режиме ДН устройство работает следующим образом. Напряжение с плечевых обмоток 5 и 6 трансформатора 7 напряжения, питаемого ИПК 14,через перектаочатели 8,9, 4 и плечевые обмотки 2 и 10 компаратора 3 токов подается на ВВ резистор 1 и НВ плечо 11 делителя, параллельно которому включена нагрузка 12. Пренебрегая сопротивлением блокировочного конденсатора 13 и выходным сопротивлением источника измеряемого напряжения на переменном токе, а также сопротивлением плечевых обмоток 2 и 10 компаратора, получаем, что переменный ток через ВВ и НВ плечи делителя равен тЬ Н Rg где Uj, Ug - напряжения на обмотках 5 и 6; 1Ц - сопротивление ВВ резистора ; Rg - эквивалентное сопротивление НВ плеча делителя, равное R-,2 -ti ;i2 Поскольку компаратор осуществлят сравнение МДС обмоток 2 и 10, то ри балансе моста напряжение на изерительной обмотке 17 компаратора авно нулю, следовательно, JB 2 -IM- W,o 2) де W2 и IV 0 - число витков обмоток 2 и 10. Из (1) и (2) получается, что ь..: ,,, э 10 ь Так как напряжения на обмотках 5 и 6 ТН пропорциональны числу вит ков Wg. и Wg , из (3) имеем К, «/2% 10«/ь Коэффициент деления напряжения на постоянном токе равен отсюда с учетом (4) находим, что П.о Таким образом, если схема ФЧУ 2 поддерживает мост в состоянии бала са, то коэффициент деления напряжения на постоянном токе не зависит ни от стабильности ВВ сопротивления 1 делителя, ни от величины сопротивления его нагрузки.12, ни от стабильности напряжения- ИПК. Отметим, что при большом коэффициенте усиления усилителя 16 коэффициент деления не зависит также ни от характеристик схейы ФЧУ, ни -от характеристик блока 2-2 формирования регулирующего воздействия. . Уравновешиваний моста осуществляется путем автоматического регул рования сопротивления НВ плеча делителя i в качестве управляемого л нейного резистивного элемента кото рого могут быть использованы, например,, фотосопротивления или магниторезисторы. В первом случае управление осуществляется с помощью источника света, содержащегося в блоке 22. Во втором случае - путем изменения величины магнитного поля в котором размещен, магниторезистор При этом блок 22 должен содержать преобразователь выходного сигналасхемы ФЧУ 21 в магнитное поле (например, соленоид). Управляемый резистивный элемент, при невысоких требованиях к скорости уравновешивания, может быть выполнен, например, и в виде потенциометра, двидок которого перемещается с по мощью электромеханического привода блока 22. Напряжение дополнительном выходе ДН, .в отличие от напря жения практически не имеет пульсаций с частотой ИПК, так как параллельно этому выходу включен блокировочный конденсатор 13, однако включение на этот выход нагрузки приводит, как ив прототипе к изменению коэффициента деления , поэтому дополнительный выход может быть использован только, для подключения измерительных приборов с высоким входным сопротивлением. Устройство, работающее в режиме И, можно использовать для поверки высоковольтных делителей напряжения без отключения их от измеряемого напряжения. В этом случае НВ плечо делителя не содержит управляемого элемента, а предлагаемую схему включают в разрыв соединения плеч делителя друг с другом - между клеммами 24 и 25. Такое включение можно произвести без разрыва цепи делителя, не прерывая измерительного процесса. В режиме И работа устро1йства аналогична его работе в режиме ДН, однако имеет ряд особенностей. Выбор предела измерения коэффициента деления производится путем изменения чисел витков плечевых обмоток ТН и КТ с помощью переключателей 4 и 8, а грубое уравновешивание моста - переключателем 9. После грубого уравновешивания в компараторе 3 токов имеется определенный магнитный поток, пропорциональный величине небаланса моста, который преобразуется в напряжение с помощью преобразователя 15. Этот магнитный поток небаланса создает в измерительной обмотке 17 некоторое напряжение. Оно усилив ается усилителем 16 ивозбуждает в компенсационной обмотке 18 ток, создающий в компараторе встречный магнитный поток. При большом коэффициенте усиления усилителя 16 МДС обмотки 18 равна МДС небаланса, т.е. разности МДС обмоток 2 и 10. Напряжение на образцовом резисто1зе 19, пропорциональное разности МДС плечевых обмо- ток 2 и 10 КТ, поступает на схему ФЧУ 21, содержащую фазочувствитель-. ный выпрямитель. Выходной сигнал ФЧУ регистрируется измерителем 23, показания которого пропорциональны разности МДС плечевы;-; обмоток КТ. Для определения коэффициента деления поверяемого делителя отсчет (регистрацию) показаний измерителя 23 производят дважды - при разных числах витков обмотки 6 ТН (при разных положениях переключателя 9). Затем вычисляют отношение этих показаний - m и по пр еденной ниже формуле (11) находят коэффициент деления делителя. Получим эту формулу. Учитывая, что U5 Wj ,. а Uj, : Wg , где и - напряжение ИПК, а W - число витков обмотки, к которой он подключен, из (1) получаем

т -AL

AL

(7)

Н W RS

W il

откуда разность МДС обмоток 2 и 10 КТ равна

/4№-).

запишем это выражение для двух значений чисел витков Wt W / и

о

W

.

W W.

«г «5

).,

э / .Подставляя в выражение для формулы (9) и (10) и учитывая формулу (5), находим искомый коэффициент деления Vt/ W

,.-:/ л-;Фе -

Из (11) видно, что коэффициент деления оп1 еделяется только через известные числа витков ТН и КТ и измеренное отношение, следовательно, погрешность измерений не зависит от стабильности напряжения ИПК 14.

Устройство, работающее ,в режиме и, быть использовано также для определения сопротивлеНИИ плеч делителя. При этом две неизвестные величины К и R находятся из решения системы двух уравнений; (9) и (10);

,W,

1-/Э

Из (12) и (13) видно, что погрешт ность определения сопротивлений зависит от стабильности напряжения ИПК.

Следует заметить, что современные методы стабилизации синусоидальных напряжений позволяют строить генераторы с нестабильностью, выходного напряжения, не превышающей 0,1%. Такая точность приемлема для многих практических задач измерения. В случае, если в качестве измерителя 23 применяется аналоговый или цифровой прибор, который может реагировать на отношение измеряемой величины к

опорному напряжению (снимаемомуjt например, с вспомогательной обмотки ТН), требования к,стабильности напряжения ИПК существенно снижгиотся.

Автобапансный высоковольтный делитель напряжения постоянного тока (фиг. 2) отличается от устройства (фиг. 1) типом мостовой схемы - он содержит трансформаторный мост с индуктивно связанными плечами в диагонали источника питания.

Делитель напряжения (фиг. 2) включает ВВ резистор 1 (высоко- , вольтное плечо делителя), последовательно с которым включены вторичт ные обмотки 27 и 28 трансформатора 7 напряжения, питаемого от 14 ИПК, и управляемое НВ плечоН, параллельно которому подключена цепь 12 нагрузки. Общая точка вторичных обмоток ТН 7 через разделительный конденсатор 26 соединена со схемой ФЧУ 21, йЬ1ХОДной сигнал которой подается на блок 22 формирования регулирующего воздействия и с его помощью воздействует на управляемый резистивный элемент НВ плеча 11 делителя. Подключение ТН к делителю происходит в точках 24 и 25 - в разрыв соединения его плеч.

Принцип действия рассматриваемого ДН аналогичен принципу действия ДН (фиг. 1). Схема ФЧУ балансирует мост (изменяя сопротивление НВ плеча 11) таким образом, чтобы переменное напряжение в точке соединения обмоток 27 и 28 друг с другом было равно нулю. В этом случае напряжения на обмотках 27 и 28 равны падениям напряжений в плечах делителя. Условие баланса моста в предположении, что напряжения на вторичных обмотках 27 и 28 ТН пропор5 ционал1 ны их числам витков - iQg 29 записывается следующим образом:

k. .

(14)

W,

29

Отсюда, с учетом (5), находим выражение для коэффициента деления напряжения на постоянном токе

и

W,

28

вх

-(15)

yu;±w

29

Таким образом, при достато чно большом коэффициенте усиления схемы ФЧУ коэффициент деления рассматриваемого варианта ДН также не зависит ни от стабильности ВВ сопротивления 1 делителя, ни от величины сопротивления его нагрузки,

ни от стабильности напряжения ИПК.

1. АВТОБАЛАНСНЫЙ ЕИСОКОВОЛЬТНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий последовательно соединенные высоковольтный резистор (высоковольтное пленО) и низковольтное плечо с включенньау в него .управляемым линейным резистивным элементом, сопротивление которого зависит .о.т выходного сиг.нала последовательно соединенных схемы фазочувствительного управле ния, связанной с плечами делителя, и блока формирования регулирующе-, .го воздействия, о т л и ч а ю щ; и и с я тем, что, с целью по- вышения точности измерений и исключения влияния нагрузки, делителя на величину коэффициента деления, в него введены источник периодических колебаний, трансформатор напряжения, индуктивный компаратор токов, усилитель и блокировочный конденсатор , соединяющий об1дую точку цлечевых O6NPTPK трансфоралатора .напряжения с общей -для вхрда и выхода клеммой делителя, причем плечевые обмотки трансформатора, напряжения, компаратора токов и плечи делителя включены последовательно друг с другом, вьисод компаратора токо включен на последовательно соединенные усилитель, схему фазочувствительного управления и блок формирования регулирующего воздействия, а нагрузка делителя подключена параллельно его низковольтному плечу. 2. делитель.напряжения по п. 1, С), т л .и ч а ю щ и и с я тем, уто, с целью расширения его функциональных возможностей, в делитель введены кр|итенсационная обмотка, расположёняая на компараторе токов и соединенная одним своим выводом с выходом усилител, измеритель и сдвоенный переключатель режимов работы, перекидные контакты которого соедине |ы с входом и выходом схемы фазочувствительного управления, а неподвижные - .соответственно с выводами компенсационной обмотки и с входами блока формирования ре-. гулируюы1его воздействия и измерителя.