Активный преобразователь ток-напряжение Советский патент 1984 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к электро измерительной технике и предназначе™ но для использования, например, в релейной защите и автоматике энергосистем. Известен активный преобразователь переменного тока в напряжение, содержащий трансформатор тока, включенный в цепь отрицательной обратной связи усилителя ij , Недостатком известного устройства является необходимость применения трансформатора тока с тремя об- мотками, что существенно усложняет конструкцию преобразователя. Кроме того, отсутствие в нем отрицательной обратной связи по постоя1шому току предопределяет возможность потери устойчивости и самовозбулодения. Наиболее близким к изобретению является активный преобразователь ток - напряжение, содержащий последовательно включенные трансформатор тока и усилительный элемент, выполненный в виде операционного усилител с резистром в цепи отрицательной обратной-СВЯЗИ . В указанном устройстве из-за низкого входного сопротивления усилителя вторичная обмотка трансформатора тока оказьшается фактически замкнутой накоротко и погрешности преобразования определяются главным образом собственным сопротивлением вторичной обмотки, У малогабаритных трансформаторов тока обмотки вьшолняются проводом малого сечения и при большом количестве витков имеют большое сопротивление, что обуславливает узкий рабочий частотньм диапазон, ограниченный допустимыми погрешностя ми преобразования на низких и высоки частотах. Цель изобретения - расширение ча тотного диапазона устройства. Поставленная цель достигается тем, что в активном преобразователе ток - напряжение, содержащем последовательно включенные трансс юрматор тока и усилительный элемент, послед- НИИ выполнен в виде инвертора нагру зочного импеданса. Инвертор нагрузочного импеданса состоит из операционного усилителя с комбинированной обратной связью, причем отрицательная обратная связь вьшолнена включением первого резист ра между выходом операционного усилителя и его инвертирующим входом, а положительная обратная: связь включением второго резистора между выходом операционного ус илителя и его неинвертирующим входом, соединенным с одной из клемм для подключения нагрузки, другая подключающая клемма которой соединена с заземленным вьгеодом вторичной обмотки трансформатора тока. На фиг,1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг,2 - его передаточная функция. Устройство содержит последовательно включенные трансформатор 1 (фиг,1) тока и усилительный элемент, вьшолненный в виде инвертора 2 нагрузочного импедансаэ и нагрузку 3., Инвертор 2 состоит из операционного усилителя 4 с комбинированной обратной связью. Отрицательная обратная связь выполнена включением первого резистора 5 между выходом операционного усилителя 4 и его инвертирующим входом, а положительная обратная связь - включением второго резистора 6 между выходом операционного- усилителя 4 и его неинвертир;ующим входом, соединенным с однбй из клемм для подключения нагрузки 3, другая подключающая клемма которой соединена с заземленньсм выводом вторичной обмотки трансформатора тока. Усилительный элемент с комбинированной (отрицательной и положительной) обратной связью имеет отрицательное входное сопротивление, ZgK(P -(ч/ б Z(p), где RJ - сопротивление резистора 5 в цепи отр1щат12льной обратной связи Rg - сопротивление резистора 6 в цели положительной обратной связи; (р) - импеданс нагрузки 3. При RC R входное сопротивление равно нагрузочному импедансу с противоположным знакомZ,(p) -2з(р). Включенное в цепь вторичной обмотки трансформатора I тока отрицательное сопротивление компенсирует паразитные параметры вторичной обмотки. Передаточная функция преобразователя (фиг. 2) при этом описьшается следующим выражением:

.

ЧР)

гГз рИлк-ЬОТ

Jb

UрьR,

где и. (р) - выходное напряжение

преобразователя;

1п(р) - ток первичной обмотки; W и количество витков перП в«с:

вичной и вторичной обмоток соответственно; г„ - активное сопротивление

вторичной обмотки; L,g - индуктивность рассеяния

вторичной обмотки; L - индуктивность цепи намагничивания;

ГлИ pL,,- активная и реактивная составляющие импеданса нагрузки 3; - сопротивление потерь магнитопровода.

Как видно из приведенного выражения, подбором нагрузочного импеданса Za(p) можно добиться практически полной компенсации активного сопротивления и индуктивности рассеяния вторичной обмотки трансформатора 1 тока, что приводит к значительному снижению погрешностей на заданной частоте, т.е. к расширению рабочего частотного диапазона.

Предлагаемьгй преобразователь работает следую1Цим образом.

Первичный ток, протекающий по первичной обмотке трансформатора 1, трансформируется во вторичную обмот На инвертирующем и неинвертирующем входах операционного усилителя 4, именяцего коэффициент усиления, стремящийся к бесконечности, в линейном режиме напряжения равны. Резисторы 5 и 6 по потенциалам на их вьтодах оказьтаются включенными паралпельно, поэтому протекающие в них токи направлены противоположн

друг другу. Ток вторичной обмотки трансформатора 1, поступающий на инвертирующий вход усилителя 4, вызывает появление выходного тока в резисторах 5 и 6. Падение напряжения на импедансе нагрузки 3, вызван нов выходным током, вьщеляется в свою очередь и на инвертирующем входе операционного усилителя 4 вследствие того, что потенциалы обоих входов усилителя 4 равны. При этом направления входного тока и напряжения на инвертирующем входе усилителя 4 оказьшаются противоположными, т.е. инвертор 2 ведет себя по отношению к источнику тока как отрицательное сопротивление.

Как известно, погрешности преобразования трансформатора 1 тока в области как низких,так и-высоких частот обусловлены главным образом паразитными параметрами вторичной обмотки, поэтому параметры схемы подбираются так, чтобы отрицательное сопротивление было равно или близко по значению собственному сопротивлению вторичной обмотки трансформатора 1 тока. Тогда при протекании тока во вторичной цепи падение напряжения на собственном сопротивлении вторичной обмотки, включающем в себя активное сопротивление и сопротивление цепи рассеяния обмотки, компенсируется противоположным по направлению падением напряжения на отрицательном сопротивлении. Таким образом, ток во вторичной цепи трансформатора 1 не ограничивается ее собственным сопротивлением и потери в этой обмотке значительно снижаются. Выходное напряжение, пропорциональное первичному току, снимается с импеданса нагрузки 3.

Предлагаемый активный преобразователь ток - напряжение по сравнению с известными имеет при малых габаритных размерах и массе магните- провода весьма широкий рабочий частотный диапазон.

0. 0,6 0,t 0

1. АКТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТОК-НАПРЯЖЕНИЕ, содержащий последовательно включенные транформатор тока и усилительный элемент, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона. усилительный элемент выполнен в виде инвертора нагрузочного импеданса. 2.Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что инвертор нагрузочного импеданса состоит из операционного усилителя с комбинированной обратной связью, причем отрицательная обратная связь выполнена включением первого резистора между выходом операционного усилителя и его инвертирукядим входом , а положительная обратная связь - включением второго резистора между выходом операционного усилителя и его неинвертирующим входом, соединенным с одной из клемм для (Л подключения нагрузки, другая подключающая клемма которой соединена с с заземленным выводом вторичной обмотки трансформатора тока.