Бинарный индуктивный делитель напряжения Советский патент 1991 года по МПК G01R15/06 

(Л

С

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при создании мостовых и компенсационных цепей переменного тока для измерения параметров комплексных сопротивлений, а также при проведении аттестации и поверки точности электроизмерительных устройств.

Целью изобретения является повышение точности (коэффициента передачи) делителя в расширенном диапазоне напряжений и частот.

На фиг. 1 изображен бинарный индуктивный делитель напряжения; на фиг. 2 - то же, выполненный на двухступенчатых трансформаторах; на фиг. 3 - то же, вариант.

Делитель (фиг. 1) содержит цепочку из п одинаковых основных четырехобмоточных трансформаторов с сердечниками 1-1, 121- п-1), 1-п и обмотками 2-1, 3-1,4-1,

5-1 - на сердечнике 1-1, обмотками 2-2, 3-2, 4-2, 5-2 - на сердечники 1-2, обмотками 2-(л-1), 3-(п-1), 4-(п-1), 5-(п-1) и обмотками ,3-п,4-п, 5-п на n-м сердечнике, а также п одинаковых двухобмоточных трансформаторов с сердечниками 6-1, 6-2, 6-3

6-(п-1) и 6-п и обмотками 7-1, 8-1 - на сердечнике 6-1, обмотками 7-2, 8-2 - на сердечнике 6-2, обмотками 7-(п-1), 8-(п-1) - на сердечнике 6-(п-1) и обмотками 7-п, 8-л - на сердечнике б-п Между основными обмотками п основных трансформаторов применено лестничное соединение: обмотки 3-1 первого трансформатора 1-1 соединены параллельно с обмотками 2-2 второго трансформатора 1-2 и так далее, обмотки 2-{п-1) трансформатора 1-(п-1) соединены параллельно с обмоткой 2-п трансформатора п. Первый конец обмотки 2-1 и второй конец обмотки 3-п является входными зажимами 9-10 делителя, Первый конец обмотки 7-1 трансформатора 6-1 подключены к входному зажиму 9 делителя. Обмотка 7-1 трансформатора 6-1 соединена послео-vi ел XI

00 00

довательно с обмотками 4-1 и 5-1 трансформатора 1-1 и обмоткой 8-1, второй конец последней обмотки подключен к точке соединения обмоток 4-2 и трансформатора 1-2. Обмотки 7-2, 4-2, 5-2 и 8-2 соединены последовательно и включены между точкой соединения обмоток 4-1 и 5-1 и первым концом обмотки 4-3 последующего трансформатора 1-3 (не показан).

Аналогичным образом соединены обмотки остальных дополнительных трансформаторов: обмотка 7-(п-1) трансформатора 6-{п-1) последовательно с обмотками 4-(п-1) и 5-(п-1) трансформатора 1-(п-1)исобм.откой8-(п-1)йэта цепочка обмоток включена между точкой соединения обмоток 4-(п-2) и 5-{п-2) трансформатора п-2 (не показан) и точкой соединения обмоток 4-п и 5-п трансформатора п. Обмотки 7-п, 4-п, 5-п, 8-п соединены последовательно и включены между точкой соединения обмоток 4-{п-1) и 5(п-1) трансформатора 1-(п-1) вторым выходным (входным) зажимом 10 делителя. Выходное напряжение делителя снимается с одного

из зажимов 11-1, 11-2 11-(п-1) 11-п и

зажима 12, общего с зажимом 10.

Количество трансформаторов в делителе определяется требуемой дискретностью деления делителя.

Делитель выполненный на двухступенчатых трансформаторах (фиг. 2), содержит п двухступенчатых трансформаторов с сердечниками 1-1, 6-1, 1-2, 6-2 Н1-п), 6(п-1), 1-п, 6-п и обмотками 2-1, 3-1, 4-1,

5-12-(п-1), 3-(п-1), 4-{п-1), 5-(п-1), 2-п,

З-n, 4-п, 5-п. Обмотки 2-1,3-1.3-2,3-(п-1), 3-п соединены последовательно и включены между входными зажимами 9-10 делителя. Обмотка 2-2 включена параллельно обмотке 3-1, Обмотка 3-(п-1) включена параллельно обмотке 2-п. Обмотки 4-1, 5-1, 5-25-(п-1) и 5-п также соединены последовательно между собой и подключены к входным зажимам 9-10 делителя. Обмотка 4-2 подключена параллельно обмотке 5-1. Обмотка 4-п подключена параллельно обмотке 5-{n-lJ. Обмотки. 2-1, 3-1, 2-2, 3-2, 2-{п-1), 3-(п-1), 2-п, З-n выполнены по две соответственно на первом сердечнике 1-1, 1-2, 1-(п-1), 1-п каждого из двухступенчатых трансформаторов. Обмотки 4-1, 5-1,4- 2, 5-2, 4-(п-1), 5-(п-1), 4-п, 5-п выполнены также по две одновременно на двух сердечниках каждого из п трансформаторов, От точек соединения обмоток 4-1, 5-1, обмоток 4-(п-1), 5-(п-1), 4-п, 5-п сделаны отпайки, являющиеся делительными выходными зажимами 11-1, 11-211 -п устройства.

Принцип работы делителей, представленных на фиг. 1 и 2, одинаков, но пояснить его проще на примере делителя с одностер- жневыми трансформаторами (фиг. 1).

Рассмотрим упрощенную схему предлагаемого делителя, содержащую два основных и два дополнительных трансформатора (фиг. 3).

Делитель содержит основные транс0 форматоры 1 с обмотками 2-6 с обмотками 7-10 и дополнительные трансформаторы 11 с обмотками 12-14 с обмотками 15 и 16, а также зажимы 17-21.

Обмотки 2 и 3 соединены последова5 тельно. так же и обмотки 7 и 8. Обмотки 3 и 7 соединены параллельно между собой. Обмотки 12, 4, 5, 13, 10 и 16 соединены последовательно, обмотки 15 и 9 также соединены последовательно между собой и

0 подключены параллельно обмоткам 5 и 13. Числа витков во всех обмотках одинаковы. Если магнитные характеристики сер- ДРЧНИКОВ 1 и 6 идентичны, а активные сопротивления обмоток равны нулю, то и при

5 отсутствии компенсации приложенное к зажимам 17-18 делителя напряжение DBX распределяется пропорционально виткам и секциям обмоток 2, 3 и 8. В этом случае напряжения на зажимах обмоток 2. 3, 7 и 8

0 одинаковы, так как у них одинаковы числа- витков, обмотки 2 и 3 (также и обмотки 7 и 8) имеют тесную индуктивную связь, а обмотки 3 и 7 соединены параллельно. При этом приложенное к делителю напряжение

5 на этих обмотках делилось бы на три равные части,

Однако в реальных трансформаторах (делителях) существует разброс магнитных характеристик сердечников (и довольно

0 значительный), а также существуют сопротивления проводов обмоток и соединительных проводов и контактов. Эти причины приводят к возникновению погрешности коэффициента передачи делителя.

5 Компенсация рассмотренных погрешностей в предлагаемом делителе осуществляется следующим образом.

Напряжение LM на обмотке 4 отличается от напряжения U2 на зажимах обмотки 2 на

0 величину погрешностей, обусловленных влиянием сопротивлений проводов этих обмоток. Это разностное напряжение, обозначенное через AUi, подается на обмотку 12 и учитывается в выходном напря5 жении делителя путем суммирования его с напряжением U4 обмотки 4.

Напряжение Од на зажимах обмотки 9 отличается от напряжения на зажимах обмотки 5 на величину погрешностей, обусловленных влиянием неидентичности

магнитных характеристик сердечников 1 и 6 и сопротивлений проводов этих обмоток. Разность этих напряжений, снимаемая с первых зажимов обмоток 5 и 9, подается на обмотку 13 и суммируется-с напряжением обмотки 5. Разность напряжений AUg, снимаемая с конечных зажимов обмоток 5 и 9, подается на обмотку 15 и суммируется с напряжением Од обмоток 9.

Разность напряжений А Ою обмоток 8 и 10, обусловленная непропорциональностью активных сопротивлений этих обмоток, подается на обмотку 16 и суммируется с напряжением Ою обмотки 10.

Вследствие наличия тесной индуктив- ной связи между обмотками 4 и 5, 9 и 10, 12 и 13, а также между обмотками 15 и 16 соответственно можно записать следующие равенства:

LM-Us; Og Uio; AlU

Л Os; Л Ою-А 09.(1)

Благодаря параллельному соединению обмоток 5. 15 и 9, 13 напряжения на их зажимах тождественно равны, т.е. можно записать

Us AUs Ug AUg.

С учетом равенств (1) и (2) имеют зависимости

U4+ AU4 U5+ A0s 0g+ AUg 0ю + ЛОю.(3)

Выходное напряжение (фиг. 3) делителя между зажимами представляет сумму трех напряжений:

Овых (U4 + A U4) + (Us + AUs), (4)

и эта сумма равна напряжению Овых, приложенному к входным зажимам делителя. Поэтому при съеме выходного напряжения с части обмоток делителей получают соответственно выражения для выходных напряжений:

на зажимах 18, 20.иВых1 4 UBx;

О

на зажимах 17, 21 Овых2 -z UBX.

vJ

Ааналогичные рассуждения можно распространить на делитель, состоящий из п основных и дополнительных трансформаторов. Выходное напряжение, снятое с одной секции делителя, при этом составляет

Овх

UB

(П + 1)

(6)

где п - число основных трансформаторов.

Работа делителя напряжения, выполненного на п двухступенчатых трансформаторах (фиг. 2), полностью соответствует описанной.

Предлагаемый делитель напряжения позволяет повысить точность коэффициента передачи по сравнению с известным примерно на два порядка.

Для сравнительной оценки характеристик предлагаемого делителя производят расчет упрощенной схемы предлагаемого делителя, приведенной ча фиг. 3, с учетом влияния остаточных сопротивлений обмоток и разброса магнитных характеристик сердечников трансформаторов.

В результате расчета схемы (фиг. 3) при допущениях, принятых в протипе, т.е. при равенстве активных сопротивлений обмоток, обозначенных через R, выражение для остаточной погрешности предлагаемого делителя может быть представлено в виде:

25

УОСТ -

4 FT

1 +

O.1 X2 X15

7X2 2 X12

(7)

X

30

где Х2 - полное индуктивное сопротивление

обмотки 2, равное сопротивлению обмоток 3-5;

хг - полное сопротивление обмотки 7, равное сопротивлению обмоток 8-10;

хп - индуктивное сопротивление обмоток 12 и 13;

xi5 - индуктивное сопротивление обмоток 15 и 16.

Из сравнения полученного выражения

(7) с выражением для остаточной погрешности прототипа, можно видеть, что УОСТ предлагаемого делителя пропорционально квадрату исходной погрешности нескомпенсированного устройства и составляет

величину второго порядка магости, а в прототипе остаточная погрешнося- первого порядка малости.

50

Сравнение показывает, что точность

предлагаемого делителя при принятых условиях примерно на два порядка выше точности известного.

Использование изобретения позволяет создать прецизионные делители напряже- 55 ния, позволяющие обеспечить высокую точность деления напряжения в расширенном диапазоне напряжений и частоты по сравнению с известными делителями напряжения. Точность предлагаемого делителя

также выше точности известных аналогов делителей.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я 1. Бинарный индуктивный делитель напряжения, содержащий N основных транс- Форматоров с тремя обмотками каждый, первая и вторая обмотки каждого основного трансформатора соединены последовательно между собой, вторая обмотка каждого предыдущего основного трансформатора соединена параллельно с первой обмоткой каждого последующего основного трансформатора, первый конец первой обмотки первого основного и второй конец второй обмотки последнего основного трансформатора соединены с входными зажимами делителя, второй входной и выходной зажимы делителя соединены, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности коэффициента передачи делителя в расширенном диапазоне напряжений и частот, каждый основной трансформатор снабжен дополнительной четвертой обмоткой, соединенной последовательно с третьей обмоткой, а также с N дополнительными двухобмоточными трансформаторами, причем начало первой обмотки первого основного трансформатора соединено с первым входом делителя и с началом первой обмотки первого дополнительного трансформато- ра, конец первой обмотки первого дополнительного трансформатора соединен с началом третьей обмотки первого основного трансформатора, начало четвертой обмотки соединено с концом третьей обмотки первого основного трансформатора и соединено с первым выходом делителя и началом первой обмотки второго дополнительного трансформатора, начало второй обмотки первого дополнительного трансформатора соединено с концом четвертой обмотки первого основного трансформатора, конец второй обмотки первого дополнительного трансформатора соединен с вторым выходом делителя и с концом третьей обмотки и началом четвертой обмотки второго основного трансформатора и с началом

первой обмотки п-1 дополнительного трансформатора, конец первой обмотки второго дополнительного трансформатора соединен с началом третьей обмотки второго основного трансформатора, начало второй обмотки второго дополнительного трансформатора соединено с концом четвертой обмотки второго основного трансформатора, конец второй обмотки второго дополнительного трансформатора соединен с концом третьей и началом четвертой обмоток последующего основного трансформатора и началом первой обмотки п-го дополнительного трансформатора и соединен с п-1 выходом делителя, конец первой

обмотки дополнительного трансформатора соединен.с началом третьей обмотки п-1 основного трансформатора, начало второй обмотки п-1 дополнительного трансформатора соединена с концом четвертой обмотки

п-1 основного трансформатора, конец второй обмотки п-1 дополнительного трансформатора соединен с n-выходом делителя и с концом третьей и началом четвертой обмоток n-го основного трансформатора,

конец первой обмотки п дополнительного трансформатора соединен с началом третьей обмотки п основного трансформатора, начало второй обмотки п дополнительного трансформатора соединено с концом

четвертой обмотки п основного трансформатора, конец второй обмотки п дополнительного трансформатора соединен с выходом и вторым входом делителя.

Риг.1

11-(П-4)

е-г

И

4-

-щ

QL

.«-/

3

6-г

в//-2

10 ч

f-n

ГА

-л

./г

Puz.3

to