Прецизионный трансформатор постоянного тока Советский патент 1986 года по МПК G01R19/20 

Изобретение относится к электроизмерениям, в частности к измерителям-преобразователям постоянного тока с гальванической развязкой, и может быть использовано в приборах для измерения постоянного тока. Цель изобретения - повьпиенн:е точности и стабильности путем исключения влияния на процесс преобразования неидентичности уровней насыщения сердечника. На фиг.1 приведена электрическая схема прецизионного трансформатора постоянного тока; на фиг.2 - временные диаграммы его работы при отсутствии входного сигнала; на ч|)иг.З то же, при наличии входного сигнала Прецизионный трансформатор содержит первый 1 и второй 2 ферромагнитные сердечники. На сердечниках 1 и размещены первая обмотка 3 возбужде ния - на первом, и вторая обмотка 4 возбуждения - на втором, первая обмотка 5 управления - на первом и вторая обмотка 6 управления - на вт ром, соединенные согласно-последова тельно и подключенные -к входным шинам 7 и 8, первая обмотка 9 обратно связи на первом сердечнике 1, и вто рая обмотка 10 обратной связи - на втором сердечнике 2. Первый выходно вывод генератора 11 переменного напряжения соединен с началом первой обмотки 3 возбуждения и концом второй обмотки 4 возбуждения. Конец первой обмотки 3 возбуждения соединен через первый токоограничивающий резистор 12 с общей шино а начало опорной обмотки 4 возбуждения - через второй токоограничивающий резистор 13 с общей шиной и вторым выходным выводом генератора 11 переменного напряжения. Конец первой обмотки 3 возбуждения соединен с началом второй обмот ки 4 возбуждения через соединенные последовательно первый 14 и второй 15 потенциометрические резисторы, соединеннные выводы которых подключены к первому входному выводу двух порогового компаратора 16, второй входной вывод подключен к обш,ей шине, а выход - к управляющим входампервого 17 и второго 18 ключей. Ко нец первой обмотки 3 возбуждения и начало второй обмотки 4 возбуждения соеданены соответственно через первый 17 и второй 18 ключи с входами первого 19 и второго 20 запоминающих элементов, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входу вычитающего блока 2I, Выход вычитающего блока 21 соединен через интегратор 22 с выгодной шиной 24, которая через соединенные последовательно резистор 23 обратной связи, первую 10 и вторую 9 обмотки обратной связи подключена к общей шине 25. Обмотки 9 и 10 обратной связи включены встречно по отношению к соответствукяцим обмоткам 5 и 6 управления. Прецизионный трансформатор посто-. янного тока работает следунядим образом. Согласно соединенные обмотки 3 и 4 возбуждения ферромагнитных сердечников 1 и 2 совместно с токоограничивающими резисторами 12 и 13 образуют измерительный мост, одна диагональ которого получает питание от генератора 11 переменного напряжения, например прямоугольного напряжения U(t) (4мг. 2а и За), а с другой диагонали снимается измеряемый сигнал Y4(t)Y,(t)-Y2(t) (фиг.1). При отсутствии управляющего сигнала X(t) и воздействии-на обмотки 3 и 4 возбуждения через токоограничи-. вающие резисторы 1 2 и 13 прямоугольного переменного напряжения U(t) (фиг. 2а) индукция B(t) в сердечнике 1 и индукция B(t). в сердечнике 2 изменяются по линейному закону, достигая уровня насыщения сердечников t В., в моменты t tg изменения полярности напряжения U(t) (фиг.26). Равенство темпов изменения В (t) и B,(t) может быть достигнуто соответствукяцим выбором параметров токоограничивающих резисторов 12 и 13, хотя не является строго обязательным. В соответствии с равенствами текущих значений токов намагничивания, протекающих через обмотки 3 и 4 возбуждения и токоограничивакнцие резисторы 12 и 13, падения напряжения на резисторах 12 и 13 равны между собой, т.е. Y(t)Y2(t) ((}шг.2в). В результате напряжение на диагонали моста Y(t) равно нулю. Выбором параметров сопротивлений потенциометрических резисторов 14 и 15 добиваются наличия напряжения в общей их точке относительно общей шины (сигнал Yg(t) на фиг.1) такого уровня, чтобы он превышал уровни±0 3 порогов переключения компаратора 1 в области сигналов Y.(t), Y,(t), близких к насыщенному состоянию се дечников 1 и 2 (фиг.2г). Тогда в пределах времени t,t, tg, ..., t-(фиг.2г), когда компаратор 16 размыкает управляемые им ключи 17 и 18 (фиг.2д). В итоге на выходе запоминающих элементов 19 и 20, например, на основе апери одического RC-звена (фиг,1) в пределах t , ..., t , t, .. . , t сохраняются значения сигналов Y(t), Y (t), имеющих место на выходе эле ментов 19 и 20 в момент размыкани ключей 17 и 1-8 (фиг. 2е). При равенстве сигналов Y (t) и Yj(t) выходные сигнали Y (t) и Yg(t) запоминающих элементов 19 и 20 также одинаковы (фиг,2е) и, вычитаясь на входе вычитающего бло 2I5 обусловят на его выходе сигнал Y/t)Yg (t)-Yg (С)0 (фиг,2ж). В результате выходной сигнал Y (t) интегратора и трансформатора постоянного тока будет равен нулю. При наличии управляющего сигнал X(t)0 (фиг.За) на входных шинах устройства характеристики намагничивания сердечников 1 и 2 под воздействием тока через последовательно и согласно включенные обмотки 5 и 6 управления смещаются в равной степени относительно нулевого уровня напряженности магнитного поля сердечников. При этом за счет встре кого включения обмоток 3 -и 4 возбуждения относительно точе подключения генератора 11 переменного напряжения перемагничивание сердечников 1 и 2 в различные полупериоды переменного напряжения U(t) отличается. При совпадении напряженностей магнитных полей, создаваемых токами обмоток управления и возбуждения , индукция в сердечнике изменяется во времени быстрее, чем при встречном направлении напряженносте магнитного поля, создаваемого указанными обмотками Пусть в пределах положительного полупериода напряжения U(t) генера тора 11 напряженности магнитных по лей обмоток управления 5 и возбужде ния 3 сердечника 1 совпадают по на правлению воздействия. Тогда напряженности магнитных полей обмоток управления и возбуждения 4 сердечника 2 в указанный полупериод напр 305 4. жения U(t) будут направлены встречно. При этом индукция В (t) в сердечнике 1 будет изменяться во времени быстрее, чем индукция В (t) в сердечнике 2 (фиг. 3 б). В результате индукция В (t) достигнет уровня насьпцения В сердечника 1 в момент времени t, т.е. прежде, чем произойдет изменение полярности напряжения U(t) генератора I1. В сердечнике 2 индукция В ,j(t) за тот же полупериод напряжения U(t) уровня насыщения достигнуть не сможет (фиг.З б). В соответствии с изменениями индукций B(t), В (t)B положительный полупериод напряжения U(t) .токи намагничивания, протекакяцие через токоограничивающие резисторы 12 и 13 обмоток 3 и 4 возбуждения , существенно отличаются между собой таким образом, что в пределах времени t ,..., t 2 ток намагничивания в обмотке 3 возбуждения меньше, чем в обмотке 4 возбуждения, а в пределах времени t ,..., t , когда имеет место насыщение сердечника 1, ток намагничивания в обмотке 3 возбуждения больше, чем в обмотке 4 возбуждения. В результате в указанные пределы времени положительного полуперйода напряжекия U(t) отличаются падения напряжений Y,(t) и Y2(t) на токоограничивающих резисторах 12 и 13 (фиг. 3 в). При этом напряжения на измерительной диагонали моста Y(t)Y, (t)(t) отличаются от нуля как в пределах времени t,..., t , так и в пределах времени tg,...,t . В пределах отрицательного полуперйода напряжения U(t) генератора 11 напряженности магнитных полей обмоток управления 5 и возбуждения 3 сердечника 1 направляются встречно, а напряженности магнитный полей обмоток управления 6 и возбуждения 4 сердечника 2 складываются. Тогда ндукция B(t) в сердечнике 2 измеяется во времени быстрее, чем индукия B(t) в сердечнике 1 (фиг.З б). результате индукция В (t) достигет уровня насыщения - Вд сердечника в момент времени t, т.е. прежде, ем произойдет изменениеполярности апряжения U(t) генератора 11. В серечнике 1 индукция В, (t) за тот же трицательный палупериод напряжения (t) уровня насьш{ения - В„ достигуть не сможет (фиг.З б). 12 В соответствии с изменениями индукции В (t), BjCt) в отрицательный полупериод напряжения U(t) ток намагничивания в, обмотке 4 воэбужд,ени1 в пределах времени t ,,,., tg меньше, чем в обмотке 3 возбуждения, а в пределах времени t,...,t, когда имеет место насыщение сердечника 2, будет больше тока намагничивания: в обмотке 3, При этом отличаются и падения напряжений Y(t), ) на токоограничивающих резисторах 12 и 13 (фиг.З в). Отличается от нуля и текущее значение напряжения на измерительной диагонали моста Y (t) как в пределах времени t , ,,,, t. , так и времени tg,,..,t. За период tg,..,, t переменного напряжения U(t) генератора 11 среднее напряжение Yj (t) на измерительной диагонали моста равно нулю. Однако за счет управляемых компаратором 16 ключей 17 и 18 и запоминающих элементов 19 и 20 происходит выделение постоянной составляющей на выходе вычитающего блока 21. Для положительного полупериода напряжения U(t) генератора 11 в момент времени t, предшествующий моменту времени t насыщения сердечника 1, когда сигнал Y(t) на входе компаратора 16 превысит порог -t-a его пе$5|Ъключения, ключи 17 и 18 откпюча:т измери тельную диагональ моста от входов запоминанзщих элементов 19 и 20, При ЭТО}: напряжения Yg(t) делах времени 2 --4 сигнал Y(t) на входе компаратора превышает порог а его переключения останутся на выходе запоминающих элементов 19 и 20 без изменения. В результате неравенство Y (t)-Yg (t)-0 (фиг.З е) сохранится в пределах всего положительного полупериода напряжения U(t) генер тора П, а на выходе сумматора появится сигнал Y-(t) пропорциональный разности Y (t)-Y,(t). В отрицательный йолупериод напря жения u(t) генератора 11 в момент времени t предшествующий моменту времени t, насыщения сердечника 2, когда сигнал Y3(t) на входе компара тора 16 превысит порог -а его пере ключения, ключи 17 и 18 вновь отклю чат измерительную диагональ моста от входов запомкнакмцих элементов 19 и 20, При этом напряжения Y (t) и Yg(t) в пределах времени t,...,t. 56 т.е. пока сигнал Y (t) на выходе компаратора 16 превысит порог-а его переключения, останутся на выхое запоминающих элементов 19 и 20 без изменения. В результате неравенство Yg(t)-Yj(t)0 (фиг.З е) сохранит свой знак по отношению к общей шине устройства и останется неизменным в пределах всего отрицательного полупериода напряжения U(t) генератора 1. Останется неизменным и сигнал Y-(t) на выходе блока 21. При изменении полярности входного сигнала X(t) на входных шинах 7 и 8 устройства характеристики намагничивания сердечников 1 и 2 и изменения индукций в них меняются местами, что в итоге приводит к изменению полярности на выходе вычитающего блока 21. Для повышения точности измерения входного сигнала X(t) выходной сигнал Y-,(t) блока 21 поступает на вход .интегратора 22, а затем с его выхода 24 через резистор 23 обратной связи на обмотки 9 и.10 обратной связи, последовательно и согласно включенные между собой и встречно включенные обмоткам 5 и 6 управления. При появлении на входе интегратора сигнала Y(t)id на его выходе возникает сигнал Y(t)0, под воздействием которого в обмотках 9 и 10 обратной связи появляется ток намагничивания сердечников I и 2, встречно направленный току намагничивания обмоток 5 и 6 управления и полностью компенсирующий его первоначальное воздействие на характеристики намагничивания сердечников 1 и 2. В результате изменения индукций B(t), В (t) в сердечнике 1 и сердечнике 2 в различных полупериодах напряжения U(t) генератора 11 вновь будут соответствовать условию, аналогичному отсутствию управляющего сигнала X(t) На входных шинах 7 и 8 устройства (фиг. 2 б), что вызовет появление на входе интегратора 22 сигнала Y (t)0 ,В итоге выходной сигнал интегратора Yg(t) пepecтaнeт изменяться, оставаясь на уровне Yg(t)0, соответствуклцем компенсации токами намагничиваьшя обмоток 9 и 10 обратных связей, токов намагничивания обмоток 5 и 6 управления устройства (4иг.З к). Тем са№.1м обеспечивается пропорциональная взаимосвязь между входным X(t) и выходным Y (t) сигналами устройства. Любое отклонение магнитных характеристик, сердечников 1 и 2 от идеал ности, а также их идентичности между собой вызовет изменение токов их намагничивания в различные полупериоды напряжения U(t) генератора 1I и в наибольшей степени - в периоды времени, кдгда индукции в сердечнике 1 и 2 будут приближаться к насыщению сердечников. Однако за счет отключения выходных сигналов ), ) в указанные периоды времени ключами 17 и 18 от входов запоминающих элементов 19 и 20, неидентичность сигна лов Y,j(t) и Yg(t) не будет проявлять ся на выходе вычитающего блока 21 и в результате на выходе интегратора 22. Отклонения же в сигналах Y/(t), YgCt) в зонах намагничивания сердечников 1 и 2 могут быть скомпенсированы с помощью токоограничивающих резисторов 12 и 13, а также значительно ослабляются за счет отрицательно обратной связи по обмоткам 9 и 10, Наличие запоминающих элементов 19 и 20 позволяет, в свою очередь, сохранить информационный сигнал, пропорциональный входному сигналу X(t) устройства в моменты разм1|кания ключей 17 и 18, дополнительно обеспечивая тем сакым как статическую, так и динамическую точность измерения устройства и его стабильность. Формула из обр е-тения 1й)ецизионный трансформатор постоянного тока, содержащий первый и вто рой сердечники, на каждом из которых размещены обмотка управления, обмотка возбуждения и обмотка обратной связи, обмотки управления соединены согласно-последовательно и подключены к входным шинам, обмотки обратной связи соединены согласно-последова058тельно, подключены к общей щине и через элемент обратной связи соединены с выходной шиной, генератор переменного напряжения, интегратор, первый управляе№1Й ключ, выход которого соединен с входом первого запоминакяцего элемента, обмотки обратной связи включены встречно по отношению к обмоткам управления, о т личающийся тем, что, с целью повышения точности и стабильности, в него введены второй управляемый ключ, второй запоминающий, элемент, двухпороговый компаратор, вычитаощий блок, первый, второй, третий и четвертый резисторы, при этом первый выходной вывод генератора переменного напряжения подключен к началу обмотки возбуждения первого сердечника и концу обмотки возбуждения второго сердечника, конец обмотки возбуждения первого сердечника соединен через первый резистор с вторым выходным выводом генератора переменного напряжения, первым входом компаратора и с общей шиной, через второй резистор - с вторым входом компаратора, начало обмотки возбуждения второго сердечника через третий резистор соединено с первым входом компаратора и через четвертый резистор - с вторым входом компаратора, выход которого подключен к управляющим входам ключей, вход первого ключа соединен с концом обмотки возбуждения первого сердечника, а вход второго ключа - с началом обмотки возбуждения второго сердечника, выход второго ключа соединен с входом второго запоминакмцего элемента, выходы запоминающих элементов соединены соответственно с первым и вторым входами вычитающего блока, выход которого через интегратор подключен к выходной шине, третий вход вычитающего блока, вторые входы интегратора и вычитающих блоков соединены с общей шиной.

Изобретение относится к электроизмерениям и может быть использовано в приборах для измерения постоянного тока. Цель изобретения - повьшение точности и стабильности. Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее ферромагнитные сердечники 1 и 2, обмотки 3 и 4 возбуждения, обмотки 5 и 6 управления, входные шины 7 и 8, обмотки 9 и 10 обратной связи, генератор 11 переменного напряжения, токоограничивающие резисторы 12 и 13, потенциометрические резисторы 14 и 15, ключ 17, интегратор 22, резистор 23 обратной связи, общую шину 25 и выход 24 устройства, введены двухпороговьШ компаратор 16, ключ 18, запоминающие элементы 19 и 20, вычитающий блок 21, резисторы 12-15. Исключено влия(Л ние на процесс преобразования неидентичности уровней насыщения сердечника. 3 ил.