ИЗМЕРИТЕЛЬ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения коэффициента электрической мощности в широком диапазоне частот, для управления и контроля потоками реактивной энергии.
Известен преобразователь коэффициента мощности в напряжение [Патент Швейцарии №557033, МПК G01R 21/06, 1974 г.], содержащий два перемножителя, три фильтра низких частот, два квадратора, блок извлечения квадратного корня и делитель. Сигналы, пропорциональные току и напряжению контролируемой цепи, поступают с входных шин на входы соответствующих квадраторов и на входы первого перемножителя, к выходу которого подключен вход первого фильтра низких частот, выход которого соединен с первым входом делителя, выходы квадраторов подключены соответственно к входам второго и третьего фильтра низких частот, выходы которых подключены к входам второго перемножителя, выход которого соединен с входом блока извлечения корня, выход блока извлечения корня соединен со вторым входом делителя, выход которого является выходом устройства.
Недостатком известного преобразователя является его сложность и низкая надежность вследствие наличия в его составе большого количества сложных вычислительных блоков. Кроме того, известный преобразователь обладает низким быстродействием из-за наличия в нем нескольких фильтров низких частот.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измеритель коэффициента мощности [Авторское свидетельство СССР №708250, МПК G01R 21/06, G01R 25/02, опубл. 5.01.1980 г.], содержащий два управляемых делителя, два интегрирующих звена, два элемента сравнения, квадратурный фазосдвигающий элемент, сумматор и отсчетное устройство, причем выходы элементов сравнения через интегрирующие звенья присоединены к управляющим входам управляемых делителей, а отсчетное устройство индицирует состояние одного из управляемых делителей, первые входы элементов сравнения соединены с входами устройства, вторые входы элементов сравнения соединены с выходом сумматора, входы которого подключены к выходам управляемых делителей, причем вход одного управляемого делителя соединен с входом непосредственно, а вход другого управляемого делителя - через квадратурный фазосдвигающий элемент.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного измерителя является наличие интегрирующих звеньев, постоянная времени которых выбирается исходя из обеспечения требуемого качества переходного процесса. В результате этого регулируемая величина достигает требуемого значения через некоторое время, называемое временем установления, и во всем рабочем диапазоне частот измеритель имеет низкое быстродействие, определяемое временем переходного процесса. Кроме того, наличие переходного процесса снижает точность измерителя в переходных режимах.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия и точности измерителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный измеритель коэффициента мощности, содержащий квадратурный фазовращатель, сумматор и отсчетное устройство, дополнительно введены амплитудный детектор, блок деления, управляемый фазовращатель, компаратор, одновибратор, преобразователь частота-напряжение, интегратор со сбросом и источник задающего сигнала, причем вход сигнала, пропорционального напряжению исследуемой цепи, соединен с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого соединен с входом управляемого фазовращателя, выход которого подключен к отсчетному устройству, вход сигнала, пропорционального току исследуемой цепи, через квадратурный фазовращатель, соединен с входом компаратора, выход которого соединен с входом одновибратора и входом преобразователя частота-напряжение, выход которого соединен с входом интегратора со сбросом, вход сброса которого соединен с выходом одновибратора, выход интегратора со сбросом соединен с первым входом сумматора, второй вход которого присоединен к источнику задающего сигнала, а выход сумматора соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя.
Существенными отличиями предлагаемого измерителя являются введение амплитудного детектора, блока деления, управляемого фазовращателя, компаратора, одновибратора, преобразователя частота-напряжение, интегратора со сбросом, источника задающего сигнала, а также организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение быстродействия и точности измерителя.
u
i
1
3
5
7
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема измерителя коэффициента мощности, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u u-u, u-u и u.
Измеритель (фиг. 1) содержит амплитудный детектор 1, блок деления 2, управляемый фазовращатель 3, квадратурный фазовращатель 4, компаратор 5, преобразователь частота-напряжение 6, одновибратор 7, интегратор со сбросом 8, сумматор 9, источник задающего сигнала 10 и отсчетное устройство 11.
Измеритель работает следующим образом.
u
mu
mu
1
1
Сигнал u=Usinωt, пропорциональный напряжению исследуемой цепи, подается на вход амплитудного детектора 1 и на первый вход блока деления 2, на второй вход которого подается амплитуда напряжения U, выделяемое амплитудным детектором 1. В результате на выходе блока деления формируется напряжение u с единичной амплитудой u=sinωt.
i
mi
2
u
Одновременно сигнал u=Usin(ωt-ϕ), пропорциональный току исследуемой цепи, подается на вход квадратурного фазовращателя 4, и на его выходе формируется напряжение u, сдвинутое по фазе на 90° относительно u в сторону опережения (фиг. 2):
2
mi
u=Usin(ωt+90°-ϕ),
где ω=2πf- круговая частота напряжения сети;
ϕ - угол сдвига фаз между напряжением и током исследуемой цепи (фиг. 2).
2
3
Напряжение u подается на вход компаратора 5, который преобразует это напряжение в напряжение u прямоугольной формы (фиг. 2), которое подается на входы преобразователя частота-напряжение 6 и одновибратора 7.
3
5
4
По фронтам импульсов напряжения uзапускается одновибратор 7 и на его выходе формируются узкие импульсы u фиксированной длительности с частотой ю, которые подаются на вход сброса интегратора со сбросом 8. Одновременно преобразователь частота-напряжение 5 преобразует частоту этих импульсов в постоянное напряжение U положительной полярности величиной:
ПЧН
где К - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 5;
ƒ - частота напряжения исследуемой цепи;
max
ƒ - максимальная рабочая частота измерителя;
ПЧН
При этом значение К выбирается из условия получения максимального
4
max
ПЧН
max
выходного напряжения U=10 В при ƒ т.е. К=10/ƒ.
4
Выходное напряжение U преобразователя частота-напряжение 6 поступает на вход интегратора со сбросом 8.
6
На выходе интегратора со сбросом 8 формируется пилообразное напряжение u отрицательной полярности с частотой ƒ напряжения исследуемой цепи измерителя, амплитуда которого определяется по формуле:
6m
где U - амплитуда выходного напряжения интегратора со сбросом 8;
u
T - период напряжения исследуемой цепи u;
u
f - частота напряжения исследуемой цепи u;
R - сопротивление резистора интегратора со сбросом 8;
С - емкость конденсатора интегратора со сбросом 8.
max
6m
u
Таким образом, при выборе постоянной интегрирования RC интегратора со сбросом 8 равной RC=1/ƒ амплитуда его выходного напряжения U не зависит от частоты напряжения u во всем рабочем диапазоне частот измерителя.
6
cм
7
Выходное напряжение u интегратора со сбросом 8 суммируется в сумматоре 9 с напряжением смещения U=5 В от источника задающего сигнала 10, в результате чего на выходе сумматора 9 формируется переменное пилообразное напряжение u амплитудой 5 В. Это напряжение подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 3.
7
u
В устройстве применен управляемый фазовращатель 3, который позволяет линейно изменять фазу ψ входного сигнала от -180° до +180° при изменении величины управляющего напряжения от -5 В до +5 В (фиг. 2). Это пилообразное управляющее напряжение u, воздействуя на управляемый фазовращатель 3, изменяет фазу ψ его входного сигнала от -180° до +180° с частотой ω напряжения u (фиг. 2).
u
6
вых
Учитывая то, что напряжение u исследуемой цепи отстает от выходного напряжения u интегратора со сбросом 8 на угол 90°, на выходе управляемого фазовращателя 3 и на выходе измерителя, формируется выходное напряжение u
вых
u=sin(ωt+ψ)=sin{ωt+[180°-(ωt+90°-ϕ)]}=sin(90°+ϕ)=cosϕ.
вых
вых
В результате на выходе измерителя формируется постоянное напряжение u, пропорциональное коэффициенту мощности cos ϕ исследуемой цепи. Напряжение u подается на вход отсчетного устройства 11, проградуированного в значениях коэффициента мощности исследуемой цепи.
Таким образом, применение в измерителе амплитудного детектора 1, блока деления 2, управляемого фазовращателя 3, компаратора 5, преобразователя частота-напряжение 6, одновибратора 7, интегратора со сбросом 8 и источника задающего сигнала 10 позволяет добиться требуемого технического результата - повышение быстродействия и точности измерителя.
При практической реализации предлагаемого измерителя амплитудный детектор 1 можно выполнить по одной из известных схем (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 292, рис. 11.17; стр. 304, рис. 11.29). Блок деления 2 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ), включив перемножитель на микросхеме К525ПСЗ в цепь его отрицательной обратной связи. Управляемый фазовращатель 3 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R 19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). Квадратурный фазовращатель 4 можно выполнить по схеме (Патент РФ №127554, НОЗВ 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). Компаратор 5 можно выполнить на микросхеме К554СА3. В качестве преобразователя частота-напряжение 6 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Одновибратор 7 можно выполнить на микросхеме К561АГ1. Интегратор со сбросом 6 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ) по схеме (В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника и микропроцессорная техника. - М.: Высш. шк., 2005. - стр. 459, рис. 6.18, в). Сумматор 9 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ. Источник задающего сигнала 10 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. В качестве отсчетного устройства 11 можно использовать обычный вольтметр постоянного тока.