ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к области измерения параметров электрической энергии и может быть использовано в устройствах измерения переменного напряжения или тока электрической сети, а также в устройствах автоматики и релейной защиты.
8
Известен преобразователь эффективного напряжения [Авторское свидетельство СССР №822056 МПК G01R 19/22, опубл. 15.04.1981 г.], содержащий двухполупериодный выпрямитель, квадратор, два фильтра нижних частот, амплитудный детектор, вычитающее и суммирующее устройства, причем выходом фильтра нижних частот соединен с входом амплитудного детектора и с неинвертирующим входом вычитающего устройства, а выход амплитудного детектора соединен с инвертирующим входом вычитающего устройства и с одним входом суммирующего устройства, выход вычитающего устройства соединен со входом дополнительного фильтра нижних частот, выход которого соединен с другим входом суммирующего устройства, выход которого соединении с фокальным входом квадратора и является выходом устройства.
Недостатком данного преобразователя является сложность схемы, невысокое быстродействие и точность измерения напряжения, обусловленная наличием фильтров нижних частот в цепях прохождения сигнала постоянного тока.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является устройство, вычисляющее среднеквадратичное значение переменного напряжения, состоящее из последовательно соединенных квадратора, интегратора и блока извлечения квадратного корня [Тимонтеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982. - с. 73, рис. 4.31].
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного преобразователя является низкое быстродействие, обусловленное относительно большой постоянной времени интегратора, которая для достижения приемлемой пульсации выбирается такой, что время установления выходного напряжения составляет более 5-7-ми периодов сетевого напряжения.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия преобразователя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее квадратор, вход которого соединен с входом преобразователя, и блок извлечения квадратного корня, выход которого является выходом преобразователя, дополнительно введен режекторный фильтр, причем выход квадратора соединен с входом режекторного фильтра, выход которого соединен с входом блока извлечения квадратного корня. Режекторный фильтр содержит операционный усилитель, четыре резистора и два конденсатора, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и выходом режекторного фильтра, вход которого соединен со вторым выводом первого резистора и первыми выводами третьего резистора и первого конденсатора, вторые выводы которых соединены с неинвертирующим входом операционного усилителя и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение режекторного фильтра и новая организация связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения быстродействия преобразователя.
1
2
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя, на фиг. 2 - схема режекторного фильтра, на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений u, u, u.
Преобразователь (фиг. 1) содержит квадратор 1, вход которого соединен с входом преобразователя, режекторный фильтр 2 и блок извлечения квадратного корня 3, выход которого является выходом преобразователя, причем выход квадратора 1 соединен с входом режекторного фильтра 2, выход которого соединен с входом блока извлечения квадратного корня 3.
Режекторный фильтр 2 (фиг. 2) выполнен на базе моста Вина и содержит операционный усилитель 4, четыре резистора 5, 6, 7, 8 и два конденсатора 9, 10, причем первые выводы резисторов 5, 6 подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 4, выход которого соединен со вторым выводом резистора 6 и выходом режекторного фильтра 2, вход которого соединен со вторым выводом резистора 5 и первыми выводами резистора 7 и конденсатора 9, вторые выводы которых соединены с неинвертирующим входом операционного усилителя 4 и первым выводом четвертого резистора 8, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора 10, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала.
7
8
9
10
Мост Вина выполнен на компонентах R, R, C, С и настроен на частоту режекции, равную частоте переменнной составляющей выходного напряжения квадратора 2. Для измеряемого напряжения промышленной частоты 50 Гц частота режекции составляет 100 Гц. Для этого необходимо выдержать следующие соотношения между компонентами схемы:
7
9
8
5
7
10
9
6
5
R=1/(628·C); R=R=R; C=C; R=2·R,
вх
1
Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое напряжение переменного тока u подается на вход квадратора 1, на выходе которого формируется напряжение u (фиг. 3):
m вх
где U - амплитуда измеряемого входного напряжения;
вх
ω=2πf - круговая частота входного напряжения.
2
Режекторный фильтр 2 подавляет переменную составляющую с частотой сигнала 2ω, то есть 100 Гц, в результате на его выходе имеем напряжение u.
вых
После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня 4 на выходе устройства формируется напряжение и (фиг. 3):
вых
вх
В результате выходное постоянное напряжение u устройства не содержит переменной составляющей, а его величина равна действующему значению входного напряжения u.
Из временных диаграмм (фиг. 3) видно, что быстродействие преобразователя составляет менее полупериода (<10 мс) входного напряжения, что в несколько раз выше, чем у прототипа.
Таким образом, за счет отсутствия в предлагаемой полезной модели интегратора обеспечивается повышение быстродействия измерения напряжения.
вых
При практической реализации предлагаемого преобразователя незначительные пульсации выходного напряжения u, обусловленные искажениями формы синусоидального напряжения и неточностью настройки режекторного фильтра 2 можно устранить включением после режекторного фильтра 2 фильтра низкой частоты с небольшой постоянной времени, что существенно не скажется на быстродействии устройства. При построении квадратора 1 можно использовать перемножитель напряжений на микросхеме КР525ПС3. В качестве блока извлечения квадратного корня 3 можно использовать схему на операционном усилителе, включив квадратор в цепь его отрицательной обратной связи.