Измерительный преобразователь сигналов переменного напряжения или тока Советский патент 1992 года по МПК G01R19/00 

вж/

Изобретение относи гсл информационно-измерительной техниче и может быть использовано в качестве входного нормирующего устройства, обеспечивающего гальваническое отделение измерительных цепей преобразователей электрических величин промышленной электросети (переменные напряжения и ток, активная и реактивная мощность, т.п.) от контролируемых цепей энергоооъектов.

Известен мзм- рг/ геяьный преобразователь сигналов гето is iwonj напряжения или тока, содержащий калиброванный резистор, трансформатор тока с , вторичной и индикаторной обмотками, усилитель напряжения и ресисгор обратной связи (см. Лейтман М.Б, Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 27, рис. 2.2 а).

Недостатком известного измерительного преобразователя является низкая точность преобразования контролируемых сигналов вследствие сужения динамическо- го диапазона усилителя напряжения, а также из-за ограничен ;; усиления последнего, вызываемого ухудшением устойчивости схемы в целом.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является измерительный преобразователь сигналов переменного напряжения или тока, содержащий калиброванный резистор 1, трансформатор 2 тока с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, преобразователь 5 Холла,усилитель 6 напряжения, резистор 7 обратной связи, перемычку 8, шунтирующую последний в случае измерения входного точа, и источник 9 образцового ток.- (см. фиг. 4 и Лаппе Р., Фишер Ф. Измореппя о онегн.этической электронике: Пер. с нем. - .: Зкергоато- миздат, 1986, с. 138, рис. 7.11).

На фиг, 3 представлена эквивалентная схема прототипа, где Rr и R0c - калиброванный резистор 1 и резистор 7 обратной связи, Zi n + jXpi;Z2 Г2 + jXP2, Yc усилитель 6 напряжения, ri, Г2 л Xpi, Xp2 активные и реактивные сопротивления рассеивания первичной 3 и вторичной 4 обмоток трансформатора 2 тока; Zc - эквивалентное полное сопротивление потерь намагничивающего контура сердечника трансформатора 2 тока; Dx преобразователи 5 Холла; Zex полное входное сопротивление усилителя 6. При этом цепь первичной обмотки 3 приведена к вторичной обмотке 4 трансформатора 2 тока.

Входной ток И, протекая по первичной обмотке 3 трансформатора 2 тока, создает

магнитный поток Фт, воздействующий н« преобразователь 5 Холла. Это приводит к возникновению на входе усилителя 6 напряжения, пропорционального произведению

образцового тока 0 и магнитной индукции, зависящей от . При этом за счет большого усиления Ус через вторичную обмотку 4 протекает соответствующее значение тока z, формируемого Ус, что приводит к

возникновению магнитного потока , компенсирующего Ф1. Достижение нулевого результирующего магнитного потока в сердечнике трансформатора 2 тока характеризуется нулевым выходным напряжением

DX5.

Однако при конечном коэффициенте усиления Кус потоки Ф1 и Фа не равны, что приводит к появлению амплитудной yz и УГЛОВОЙ & погрешностей прототипа.

Согласно фиг. 3 и 4 11 12-Ис,

(1)

25

где 1С - намагничивающий ток.

Используя законы Кирхгофа, получим

12

Uc

с . Uyc + Uc

2а + Roc

(2) (3)

причем Uyc - выходное напряжение Ус, а ис - падение напряжения на Zc. Для преобразователя Холла DX можно записать

ин Кн В 10.(4)

Поскольку В является функцией с, то UH KЈic. (5)

Подставляя уравнение (5) в выражени (2), получим

- ЦУС(ГН

+ ZBX) U

УС

Кус Кус + 2С

(6)

причем гн - внутреннее выходное сопротив 5Q ление Холла, а вместо Uyc - выражение из (3):

1с 12.22+Яос

2с(1 + Кус)

(7)

55 Используя последнее выражение со вместно с (1), имеем

1Г

12

(8)

где Ei2

Z. 4- Roc

2C(1 + ад

(9)

Таким образом, погрешности прототипа определяются выражениями

дг leftl cos (а + р-0м)7(10)

)г -0,5lei2l2 - I Ј12 sin (a + p-pi) /

причем а, р и - соответственно угол между векторами lc и результирующего магнитного потока в сердечнике трансформаторов 2 тока, аргумент вектора (2.2 + Roc) и аргумент вектора (Кус + 1),

При работе прототипа с входным капря- жениеу Ui перемычка 8 размыкается. Тогда h создается напряжением Ui, а в остальном известное устройство работает аналогично, как описано выше.

Из выражения (9) видно, что значения дг и yi определяются в значительной мере значением Кус .

Обеспечение большого коэффициента передачи Ус приводит к возникновению большого постоянного напряжения сдвига на выходе, что вызывает сужение динамического диапазона выходного сигнала. При этом, если ввести разделительный конденсатор, чтобы отделить постоянную составляющую, то нарушается устойчивость схемы, аналогично как в известной схеме, описанной в книге М.Б.Лейтмана (рис. 2.2а, с. 32-33).

Кроме того, большой коэффициент усиления Ус ухудшает помехозащищенность и устойчивость схемы,

Следовательно, недостатком прототипа является низкая точность преобразования контролируемого игнала, обусловленная конечным значением коэффициента усиления Ус.

Цель изобретения - повышение точности преобразования.

Цель достигается тем, что в измерительном преобразователе сигналов переменного напряжения или тока, содержащем калиброванный резистор, который шунтируется в случае контроля входного тока, трансформатор тока с первичной и вторичной обмотками, преобразователь Холла, операционный усилитель, резистор обратной связи и источник образцового тока, причем последовательно соединенные калиброванный резистор и первичная обмотка трансформатора тока подключены к входным зажимам преобразователя, а начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено через резистор обратной связи с земляной шиной и выходным зажимом преобразователя, источник образцового тока подключен к входным зажимам преобразователя Холла, операционный усилитель включен по схеме повторителя

напряжения, между входом и выходом которого подключены выходные зажимы преобразователя Холла, а конец вторичной обмотки трансформатора тока соединен с входом повторителя напряжения.

0Новые элементы в заявляемом устройстве по сравнению с прототипом отсутствуют. Решений с подобным сочетанием известных элементов не обнаружено.

Существенность отличий решения за5 ключается в том, что полученная новая взаимосвязь известных элементов преобразователя позволила увеличить точность преобразования контролируемых сигналов в 9 раз. Это, в свою очередь, приводит к

0 экономии электроэнергии за счет более точного учета ее при использовании предлагаемого преобразователя в составе информационно-измерительной системы контроля электрических величин промыш5 ленной электросети. Таким образом, решение обладает новизной и соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого измерительного преобразователя

0 сигналов переменного напряжения или тока; на фиг. 2 - его эквивалентная схема; на фиг. 3 - эквивалентная схема прототипа; на фиг. 4 - схема прототипа,

Измерительный преобразователь сиг5 налов переменного напряжения или тока содержит калиброванный резистор 1, который шунтируется в случае контроля входного тока перемычкой 8, трансформатор 2 тока с первичной 3 и вторичной 4 обмотками,

0 преобразователь 5 Холла, операционный усилитель 6, резистор 7 обратной связи и источник 9 образцового тока.

Последовательно соединенные калиброванный резистор 1 и первичная обмотка

5 3 трансформатора 2 тока подключены к входным зажимам преобразователя. Начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2 тока соединено через резистор 7 обратной связи с земляной шиной и выходным зажи0 мом преобразователя. Источник 9 образцового тока подключен к входным зажимам преобразователя 5 Холла. Операционный усилитель 6 включен по схеме повторителя напряжения,между входом и выходом кото5 рого подключены выходные зажимы преобразователя 5 Холла. Конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2 тока соединен с входом повторителя напряжения.

В конкретном реализованном преобразователе в качестве преобразователя 5 Холла и усилителя 6 могут быть использованы соответственно преобразователь Холла типа Х511 (см. Брэйко В.В., Гринберг И.П. и др. Гальваномагнитные преобразователи в измерительной технике. - М.: Энергоато- миздат, 1984, с. 252) и микросхема К153УД5А(см. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Справочник. Электронные схемы на операционных усилителях. - К.: Техника, 1983, с. 6). Источник 9 образцового тока может быть построен с использованием последовательно соединенных источника опорного напряжения и схемы управляемого источника тока (см. книгу Щербаков В.И., Грездов Г.И, рис. 7.8 б и рис. 7.9а, с. 130-131).

При работе по входу с переменным током (перемычка 8 закорачивает резистор 1) предлагаемый измерительный преобразователь работает следующим образом.

Магнитный поток Ф-|, созданный входным током И , воздействует на вторичную обмотку 4 трансформатора 2 тока и преобразователь 5 Холла, что приводит к появлению падений напряжений на них. Из-за действия отрицательной обратной связи повторитель напряжения обеспечивает соответствующее значение выходного тока с тем, чтобы привести падение напряжения на выходе преобразователя 5 Хрлла к нулю. При этом магнитны поток , возникающий благодаря току (2 через вторичную обмотку ,4 трансформатора 2 тока, скомпенсирует Ф1.

Таким образом, согласно эквивалентной схеме (фиг. 2) ,

H -fc + ic + iH + lex.(11)

Используя закон Кирнгофа для контуров, получим

IDX

I вхпн (1 Кпн} , 1сЈ -,

I UBXTIH ( Кпн) . Ги

ивхпн l2(Z2 + R)

Подставляя уравнения (12)...(15) в выражение (11), имеем

(16)

где Јц (22 R)

1-Кпн1

(Гн1|2с) 2Ј

(17)

Выражения для угловой dt и амплитудной yi погрешностей предлагаемого преобразователя аналогичны выражениям (10) для прототипа.

Если принять IZ2+RI f 500 Ом; |ZCI 1QOO Ом; ikyc l 1000; IZBXI - Ом; |Кпн 0,9999; гн 104 Ом, то, сравнивая leia и |Јц I, вычисленные по уравнениям (9) и (17), получим

еи1 У иУ

Таким образом, точность преобразования контролируемых сигналов предлагаемым устройством примерно в 9 раз выше, чем у прототипа.

Вышеизложенные рассуждения справедливы при работе предлагаемого измерительного преобразователя по входу с переменным напряжением.

Формула изобретения Измерительный преобразователь сигналов переменного напряжения или тока, содержащий калиброванный резистор, который шунтируется в случае контроля тока, трансформатор тока, повторитель напряжения, резистор обратной связи, причем последовательно соединенные калиброванный резистор и первичная обмотка трансформатора тока подключены к входным зажимам преобразователя, начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено с выходным зажимом преобразователя и через резистор обратной связи с земляной

шиной, конец вторичной обмотки трансформатора соединен с входом повторителя напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразования, введен элемент Холла, выходные зажимы которого подключены к входу и выходу повторителя напряжения.

I1 ..

1 KF /V

-Mi 4Z37i

.-.- j-t

Использование: в качестве входного нормирующего устройства, обеспечивающего гальваническое отделение измерительных цепей преобразователей электрических величин промышленной электросети от контролируемых цепей энергообьектов. Сущность изобретения: преобразователь содержит калиброванный резистор I. который шунтируется в случае контроля входного тока перемычкой 8, трансформатор 2 тока с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, преобразователь 5 Холла, операционный усилитель 6, резистор 7 обратной связи и источник 9 образцового тока. 4 ил.

8

Г fr

-±-tt

Л

/