Устройство для измерения частотыСиНуСОидАльНОгО НАпРяжЕНия Советский патент 1981 года по МПК G01R23/07 H03K5/22 H02M5/16 

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для автоматического измерения или регулирования частоты выходного напряжения переменного тока статических или электромашинных источников питания автономного бортового электрооборудования судов и самолетов.

Известны устройства преобразования частоты в электрический аналоговый сигнал постоянного тока, содержащие измеритель девиации частоты на последовательном резонансном контуре, фазовый детектор и выходной фильтр, в том числе предназначенные для использования в системам автоматического регулирования частоты fl} .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является мостовой фазочувствительный измерительный орган частоты 2 .

Схема известного устройства содержит входной трансформатор, первичная обмотка которого связана с выходом измеряемого источника частоты. Две идентичные вторичные обмотки с выводами своих средних точек связаны между собой по крайним выводам с одной стороны двумя последовательно включенными резисторакш, а с другой - конденсатором и первичной обмоткой дросселя последовательного измерительного резонансного контура. Дроссель имеет также две идентичные вторичные обмотки, средние точки которых, шунтированные конденсатором, образуют выходную цепь сглаженного выходного напряжения посто0янного тока устройства. К средним точкам этих обмоток так же подключи: ны последовательно резисторы, точка соединения которых связана с точ кой соединения первых, выше упомяну5тых резисторов, а к крайним точкам обмоток дросселя подсоединены вентили, попарно образующие две схемы выпрямления, однополярные выходные выводы которых положительной поляр0ности связаны со средними точками вторичных обмоток трансформатора. При необходимости получения выходного широтно-импульсного сигнала устройства применяется дополнительная

5 цепь формирования вспомогательного напряжения переменного тока треугхэльной формы, образованная третьей вторичной обмоткой трансформатора, нагруженной через балластное сопротивление на параллельно соединенные ;цепочки из двух встречно включенных ограничительных стабилитронов, резистора и конденсатора. Выход этой цепи последовательно включают с вы.ходом измерительного устройства и подключают ко входу выходного формирующего полупроводникового элемента, например транзисторного усилителя , в статическом установившемся режиме работы величина и.полярность сигнала на выходе преобразователя определяется сдвигом фаз между напряжением питания и током резонансного контура (точнее падением на пряжения, создаваемым этим током на включенных в цепь контура сопротивле ниях) . Фазочувствительные схемы выпрямления включены своими выходными сопротивлениями последовательно и встречно, в результате этого устройство в целом имеет реверсивную характеристику вход-выход, причем пульсации выходного сигнала сглаживаются параллельно подключенным конденсатором. Ори использовании преобразователя в схеме автоматического регулятора скорости вращения электромашинного агрегата выходное сглажен ное напряжение преобразователя допол нительно суммируется с напряжением п ременного тока треугольной формы дополнительного формирователя, а затем при подаче на вход формирующего полупроводникового элемента преобразуется в соответствии с известным принципом вертикального управления в однотактный или двухтактный широт но-ймпульсный сигнал. Основными недостатками известного измерительного органа частоты являются : а) ограниченная статическая точность устройства, обусловленная вынужденным включением двух резисторов в цепь последовательного измерительного резонансного, контура, что приводит к уменьшению не менее чем в 2 раза величины исходной добротности контура и соответственно чувствительности всего устрЬйства; 6} инерционность и нежслаемый фазовый сдвиг, вносимый наличием выход ного сглаживающего конденсатора, что затрудняет использование его в системах автоматического регулирования ИЛ1Г стабилизации частоты; в) схемное усложнение преобразова теля при его использовании в системах автоматического регулирования ча тоты, связанное с необходимостью при менения дополнительной цепи формирования вспомогательного пилообразного напряжения переменного тока для образования широтно-импульсного выходного сигнала устройства, состоящего из шести элементов (вторичная обмотк трансформатора, два резистора, два стабилитрона и конденсатор); . г) отсутствие в преобразователе частоты простой электрической подрегулировки заданного уровня частоты в пределах, например, ±2%, обычно необходимой и оговариваемой техническими условиями в устройствах автоматической стабилизации частоты. Цель изобретения - устранение вышеотмеченных недостатков, т.е. усовершенствование схемного устройства . преобразователя частоты цифровой в широтно-модулированную, а затем в аналоговый электрический сигнал, обеспечивающее упрощение схемы и улучшение статических и динамических характеристик, возможность простой электрической подстройки заданного уровня частоты. Поставленная цель достигается тем, что известное устройство частоты, содержащее согласующий трансформатор с первичной обмоткой, подключаемой к источнику напряжения переменного тока измеряемой частоты, и со вторичными обмотками, образующими совместно с последовательно включенными первичной обмоткой дросселя индуктивности L, имеющего также две вторичные обмотки, и конденсатором С замкнутую цепь с резонансным LC-контуром, двухтактный фазовый детектор, выполненны) в виде двух однофазных двухполупериодных выпрямителей, цепь питания каждого из которых образована последовательно связанными между собой вторичными обмотками согласующего трансформатора и дросселя индуктивности, причем одни из выходных выводов постоянного тока этих выпрямителей связаны между собой цепочкой из двух резисторов, снабжено потенциометром подстройки уровня частоты, включенным последовательно в цепочку между двумя упомянутыми резисторами, причем эта цепочка подсоединена к разноименным по . полярности выводам выпрямителей, а подвижной контакт потенциометра образует один выходной вывод устройства. В одной из модификаций устройство отличается тем, что выпрямители выполнены по мостовой схеме, их другие разноименные по полярности выходные выводы постоянного тока объединена и образуют второй выходной вывод устройства органа, две вторичные обмотки согласующего трансформатора и дросселя индуктивности LC-контура, образующие две цепи питания выпрямителя, соединены между собой непосредственно, а LC-контур подключен к дополнительно введенной третьей вторичной обмотке согласующего трансформатора . В другой модицикации устройство отличается тем, что выпрямители выполнены по нулевой схеме, вторичные обмотки дросселя индуктивности L выполнены со средними точками, между

которыми включен LC-контур, две вторичные обмотки согласующего трансформатора соединены между собой последовательно, причем точки их соединения образуют второй выходной вывод устройства, другие концы этих обмоток подключены к LС-контуру, а концы вторичных обмоток дросселя индуктивности подсоединены к диодам, принадлежащим раэнсли выпрямителям.

Устройство отличается тем, что оно снабжено дополнительной RC-цепочкой динамической коррекции, подключенной к его выходным выводам.

На фиг. 1 и 2 представлены две модицикации измерительного органа; на фиг. 3 и 4 - векторные и временные диаграммы, поясняющие работу измерительного органа частоты.

Входной источник 1 напряжения пер меннбго тока подключен к первичной обмотке согласующего трансформатора 2, одна вторичная обмотка которого (средняя на фиг. 1)присоединена к последовательному измерительному резонансному LC-контуру, образованного конденсатором 3 и дросселем 4 с разомкнутым магнитопроводом,.имеющим одну первичную и две вторичные обмотки . Две идентичные вторичные об.мотки трансформатора (соответственно вторая и третья крайние на фиг. 1) соединены попарно последовательно, согласно и встречно, с двумя идентичными вторичными обмотками дросселя 4 и подключены к диагоналям переменного тока двух однофазнь1Х диодных мостов 5 и 6, образующих схему двухтактного фазового детектора.

Выходные разнополярные по полярности выводы диагоналей постоянного тока мостов 5 и 6 объединены с одной (левой на фиг. 1) стороны, образуя первый выходной вывод устройства, ас другой (правой на фиг. 1) подключены к двум балластным сопроти лениям 7 и 8, связанным между собой потенциометром подстройки уровня частоты 9, вывод движка (подвижного контакта) которого образует второй выходной вывод устройства. К этим выходным выводам устройства подключены параллельно последовательная резисторно-конденсаторная цепочка динамической коррекции 10-11 и . входная цепь выходного полупроводникового формирующего элемента 12..

Вторая модификация предлагаемого решения (фиг. 2) имеет всего одну вторичную обмотку трансформатора 2, к выводам которой подключены резонансный LC-контур 3-4 и средние точки двух вторичных обмоток дросселя 4, причем средняя точка вторичной обмотки трансформатора образует первый выходной вывод устройства, а вместо однофазных.четырехвентильных мостов схемы (фиг. 1) здесь используются две упрощенные двухвентильные

схемы 5 и 6 выпрямления, так же последовате льно и согласно включенные по выходным цепям постоянного тока к цепи формирования выходного сигнала .измерительного органа (резисторы 7-8, потенциометр 9 и параллельно включенные цепь RC динамической коррекции 10-11 и вход формирующего элемента 12, в качестве которого может быть применен полупроводниковый операционный усилитель или транзисторный усилитель

О мощности).

На фиг. 3 а,б для схемы (на фиг. 1) приведены векторные диаграммы напряжений переменного тока для двух случаев режима работы, т.е.

5 для совпадения величины частоты измеряемого источника с. резонансной частотой контура и для несовпадения величин указанных частот.

На диаграммах (фиг. 3 а,б) обозна0чены:

Uj - выходное напряжение одной из двух вторичных обмоток трансформатора 2, нагруженных на выпрямительные мосты 5 или 6;

и 14 - выходное напрядение вторичных

5 обмоток резонансного дросселя 4;

Uj- и Ug - соответственно напряжения переменного тока, подводимые от последовательно включенных, согласно и встречно, вторичных обмоток транс0форматора и дросселя к однофазным мостам 5 и 6;

Ч - фазовый угол резонансного контура 3-4 (угол сдвига .фаз между током и напряжением питания контура).

5

На фиг. 4 а,б,в приведены так х«е временные диаграмкяа напряжений для двух упомянутьк режимов работы предлагаемого устройства, показывающие соответственно:

а)форму выходных напряжений вы0прямительных мостов 5 и 6;

б)форму напряжения на входе формирующего элемента 12;

в)форму выходного напряжения на его выходе (12)..

5

В статическом установившемся режиме работы и совпадении величин частоты измеряемого источника 1 с резонансной частотой последовательного LC-контура 3-4, т.е. в режиме реэо0нанса, фаза тока, протекающего по элементам контура, совпадает с фазой питающего напряжения, а фаза напряжений.на выходных обмотках дросселя 4 сдвинута на угол 90, что и

5 учтено на векторной диаграмме (фиг. 3,а), где под углом 90 к вектору напряжения вторичной обмотки трансформатора 2 (U..) проведены векторы напряжений вторичных обмоток

0 дросселя 4 (и) образующие в результате геометрического сложения и упомянутого согласного и встречного включения обмоток по схеме (фиг.1) два напряжения переменного тока Uj

5 и и, подводимые соответственно к диагоналям переменного тока выпрямительных мостов 5 и 6. Ввиду . равенства амплитуд этих напряжений в рассматриваемом режиме резонанса вы---«одные выпрямительные напряжения этих мостов (левый график фиг. 4,с) также равны по величине, но не сов,падают по мгновенным значениям, в ре v-зультате этого на выходных клеммах устройства, образованных общей точко соединения зажимов постоянного тока мостов 5-6 и подвижным контактом потенциометра 9, появляется напряжение переменного тока пилообразной формы (левый график фиг. 4,6), переключающее со скважностью 0,5 выходной формирующий элемент 12 (левый графикфиг. 4,в). При этом величина этого вспомогательного напряжения пилообра ной формы определяется соотношением резисторов 10 и 7-8, а перемещением движка потенциометра 9 можно в небольших пределах (2%) осуществлять расстройку заданного уровня частоты устройства. Соответственно, при несовпадении величин частоты измеряемого источника 1 с резонансной частотой контура 3-4, фаза тока, протекающего по элементам контура, не совпадает с фазой питающего напряжения, а фаза напряжений на выходных вторичных обмотках резонансного дросселя 4 сдвинута на угол (), что и учтено на векторной диаграмме фиг. 3,6. При этом нарушается баланс (равенство амплитуд) напряжений переменного тока и 5 и и, подводимый к диагоналям переменного тока выпрямительных мостов 5-6, а на выходе устройства наряду с переменной составляющей напряжения пилообразной формы появляется так же постоянная .составляющая (правый график на фиг. 4, б),пропорциональная отклонению девиации частоты. В результате такого вертикального принципа управления изменяется и скважность выходного широтно-импульсного сигнала формирующего элемента 12 (правый временной график на фиг. 4 в). Положительный технико-экономический эффект, создаваемый.предлагаемым измерительным органом, определя ется: ) улучшением статических и динамических свойств (путем повышения значения добротности измерительного резонансного контура и наличия цепи динамической коррекции, придающей устройству свойства ПИ-регулятора) ; 2) улучшением схемотехники и удоб ством эксплуатации путем исключения дополнительной цепи формирования вспомогательного, пилообразного напря5кения и наличия прюстой электриче кой подстройки уровня частоты. Наиболее целесообразной областью применения измерительного органа частоты Я.ВЛЯЮТСЯ автоматические систеь«л регулировс.ния частоты электромашинных преобразователей или системы стабилизации скорости вращения двигателей с тахогенераторами переменного тока. Формула изобретения 1.Устройство для измерения частоты синусоидального напряжения, содержащее согласующий трансформатор с первичной обмоткой, подключаемой к источнику напряжения переменного тока измеряемой частоты, и со вторичными обмотками, образующими совместно с последовательно включенными первичной обмоткой дросселя и индуктивностиt имеющего также две втЬричные обмотки, и конденсатором С замкнутую цепь .с резонансным LC-контуром, двухтактный фазовый детектор, выполненный в виде двух однофазных двухполупериодных выпрямителей, цепь питания каждого из которых образована последовательно связанными между собой вторичными обмотками согласующего трансформатора и дросселя индуктивности, причем одни из выходных выводов постоянного тока этих выпрямителей связаны между собой цепочкой из двух резисторов, отличающееся тем, что, с целью улучшения статических и динамических характеристик при применении его в системах автоматического регулирования частоты, упрощения и подрегулировки заданного уровня частоты, оно снабжено потенциометром подстройки уровня частоты, вкл.юченны1у1 последовательно в цепочку между упомянутыми резисторами, причем эта цепочка подсоединена к разноименным по полярности выводам выпрямителей, а подвижной контакт потенциометра образует один выходной вывод устройства. 2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что выпрямители выполнены по мостовой схеме, их другие разноименные по полярности выходные выводы постоянного тока объединены и образуют второй выходной вывод устройства органа, две вторичные обмотки согласующего трансформатора и дросселя индуктивности 1С-контура, образующие две цепи питания выпрямителей соединены между собой непосредственно, а LC-контур подключен к дополнительно введенной третьей вторичной обмотке согласующего трансформатора. 3.Устройство по п.1, отличающееся тем, что выпрямители выполнены по нулевой схеме, вторичные обмотки дросселя индуктивности L выполнены со средними точками, между которыми включен LС-контур, две вторичные обмотки согласующего трансформатора соединены между собой последовательно, причем точка их соединения образует второй выходной вывод устрой ства, другие концы этих обмоток подключены к LC-контуру, а концы вторичных обмоток дросселя индуктивности подсоединены к диодам, принадлежащим .разным выпрямителям. 4. Устройство по пп.1,2 и 3, отличающееся тем, что оно снаб жено дополнительной RC-цепочкой динамической коррекции, подключенной к его выходным выводам. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе . 1.Авторское свидетельство СССР № 451963, кл. Н 02 М 5/16, 1976. 2.Бунаков В. Л. и Гаспаров Р. Г. Полупроводниковые регуляторы напряжения и частоты электрических машин. М.Л., Энергия, 1966, с.27, с.115.

12

Фщ.1

1го

12