ШИРОДИАПАЗОННЫЙ АМПЛИТУДОНЕЗАВИСИМЫЙ ФАЗОВРАЩАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в железнодорожной автоматике и телемеханике, в частности в стендах для регулировки и поверки двухэлементных секторных реле.
Двухэлементные секторные реле относятся к фазочувствительным реле переменного тока, которые используются в устройствах железнодорожной автоматики (сигнализации, централизации, блокировки) для контроля нахождения подвижного состава на путевых участках, т.е. обеспечивают безопасность движения поездов. Соответственно, к их надежности и достоверности срабатывания предъявляются высокие требования, которые обеспечиваются периодической поверкой их электрических, временных и технических характеристик. В частности, к электрическим характеристикам относятся, например, напряжения и токи подъема и опускания сектора реле.
m
п
Вращающий момент сектора реле зависит от величины напряжений на местном u и путевом U элементах реле, а также от угла сдвига фаз между этими напряжениями.
M
п
ид
М=к U U Cos (φ-φ), где:
к - коэффициент пропорциональности;
φ - угол между напряжениями;
ид
φ- удеальный угол, т.е. угол, при котором вращающий момент сектора достигает максимума.
В связи с этим напряжения подъема и опускания сектора (замыкания и размыкания фронтовых контактов) измеряются на путевом элементе при нормативном напряжении на местном и идеальном угле сдвига фаз между этими напряжениями.
Возрастающие скорости и интенсивность движения поездов предъявляют к безопасности все более высокие требования. Опыт показал, что из-за отсутствия методов и средств не контролируется достоверность
установки идеального фазового угла и величина отклонений идеального угла каждого конкретного реле от нормы. (Норма допустимого отклонения составляет ± 5°).
По причине ошибки в установке идеального угла могут быть неправильно отрегулированы несколько тысяч реле, что было в практике.
1
2
Известен фазовращатель, содержащий источник входного напряжения, две RC цепочки, соединенные параллельно, при этом сопротивления выполнены переменными в виде реостатов и R служит для ступенчатого изменения фазы, а R для плавного изменения фазы. (Стенд Харьковского завода электротехнических изделий, черт 13414.00.00).
Данный фазовращатель имеет следующие недостатки:
- недостаточный диапазон регулирования фазы;
- изменение амплитуды на выходе при регулировании фазы;
- неудобство в эксплуатации, т.к. приходится пользоваться одновременно тремя регуляторами: два для регулирования фазы и один для регулирования амплитуды.
Кроме того, при расширении диапазона регулирования растет диапазон изменения величины выходного напряжения. (При 4-х кратном перепаде выходного напряжения диапазон составляет 0÷120° а при 10-ти кратном-(0-146)°.
Задача расширения диапазона решаема за счет применения многозвенной схемы, но при этом резко возрастет перепад напряжений, что не приемлемо.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является низкочастотный фазовращатель с пределами измерения фазового сдвига 0-360°, содержащий две RC цепочки со спаренными сопротивлениями, источник напряжения, в котором изменение фазы на выходе при данной частоте и постоянной емкости конденсаторов осуществляется одновременным и одинаковым изменением сопротивлений сдвоенных резисторов. (Ф.В.Кушнир. Электрорадиоизмерения, Ленинград, Энергоатомиздат, 1983, с.178-179, рис.7-3).
Недостатком указанного фазовращателя является необходимость применения изолированного входного напряжения и сложность электрических режимов цепи.
Получение изолированного напряжения связано в электронных схемах с необходимостью применения изолирующего трансформатора, что значительно усложняет и удорожает устройство, т.к. стоимость трансформатора на порядок выше стоимости остальных элементов схемы. Во-вторых, значительно увеличиваются габариты устройства и питающих устройств в связи с увеличением потребляемой мощности.
Задача поворота выходного напряжения относительно входного на 360° решается с помощью одной цепочки на RC элементах со сложными электрическими режимами.
Кроме того, недостатком указанного фазовращателя является снижение напряжения на выходе по сравнению с входным в шесть раз.
Сложность электрических режимов предъявляет повышенные требования к точности подбора элементов схемы. Так условием неизменности амплитуды выходного напряжения является определенное соотношение сопротивлений делителя и одинаковость изменения переменных сопротивлений.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемая полезная модель, - контроль достоверности установки идеального угла и определение величины отклонения фактического идеального угла сдвига фаз между напряжениями местного и путевого элементов каждого секторного реле от нормы.
Технический результат выражается в обеспечении неизменной амплитуды при изменении фазы во всем рабочем диапазоне фазовращателя при минимальной стоимости, габаритах и требованиях к подбору (точности) параметров элементов схемы.
Для решения поставленной задачи, известный фазовращатель, содержащий две RC цепочки со спаренными сопротивлениями, согласно
полезной модели, дополнительно снабжен фазоинвертором, между прямым и инверсным входами которого включены две самостоятельные RC-цепочки, состоящие из последовательно соединенных конденсатора и резистора, при этом резисторы подключены к разным выходам фазоинвертора, а точки соединения конденсатора с резистором каждой RC-цепочки являются выходами фазовращателя, при этом, сопротивления резисторов изменяются синфазно.
Кроме того:
- фазовращатель выполнен с возможностью получения напряжения на выходе той же величины, что и на входе;
- коэффициент усиления инвертора равен единице;
- конденсаторы обеих цепочек имеют одинаковую емкость.
Применение фазоинвертора значительно удешевляет устройство, снижает его габариты и потребляемую мощность. Кроме того, позволяет получить на выходе фазовращателя напряжение той же величины, что и на входе.
Предлагаемый фазовращатель имеет два выхода, что позволяет, в отличие от известного устройства, выполнить поворот выходного напряжения относительно входного на 360° двумя простыми независимыми позволяет обеспечить поворот между выходными напряжениями на 360° и снять жесткие требования к параметрам конденсаторов и сопротивлений. Так, требование синхронности (равенства) регулируемых сопротивлений по предложенной схеме смягчается до требования синфазности (т.е. направления изменения). То есть, любые отклонения параметров конденсаторов и сопротивлений не смогут изменить амплитуду выходного напряжения, а могут только незначительно повлиять на величину диапазона регулирования фазы.
Величина диапазона регулирования не зависит от величины емкости и сопротивления, а зависит только от отклонения, их сопротивлений.
м
с
К=R/|Х|, где:
К - коэффициент перекрытия;
M
R - максимальное сопротивление переменного резистора;
с
Х - сопротивление конденсатора переменному току.
Так, при коэффициенте перекрытия 5 и 10 диапазон регулирования будет 312 и 336° соответственно, т.е. увеличение диапазона изменения сопротивлений в 2 раза изменяет диапазон регулирования всего на 24°. Следовательно, схема не чувствительна к величинам разброса параметров ее элементов и равенство емкостей не является условием работы схемы в отличие от известного решения.
Предлагаемый широкодиапазонный амплитудонезависимый фазовращатель поясняется рисунками. На фиг.1 приведена его схема, на фиг.2 - векторная диаграмма.
Широкодиапазонный амплитудонезависимый фазовращатель содержит фазоинвертор 1 между прямым и инверсным входами которого включены две самостоятельные RC - цепочки, состоящие из последовательно соединенных конденсаторов 2 и 3 и переменных резисторов 4 и 5 так, что их резисторы подсоединены к разным выходам фазоинвертора 1, и выполнены они в виде сдвоенного резистора, сопротивления которого изменяются синфазно.
Средние точки 6 и 7 цепочек (точки соединения конденсаторов с резисторами) являются выходами фазовращателя (относительно земли) между которыми регулируется угол, причем амплитуды напряжений на выходах остаются неизменными во всем диапазоне регулирования и равными входными напряжениями фазоинвертора 1.
п
1
2
Для решения поставленных задач достаточно установить произвольное значение напряжения (фиг.1), при котором сектор реле поднят (например, U), и вращая фазу сначала в одну, а затем в другую сторону, определить значения φx и φх, при которых сектор начинает опускаться. Если эти значения будут отличаться от установленного угла на одинаковую величину, то установленный угол точно соответствует норме идеального угла.
Работа широкодиапазонного амплитудонезависимого фазовращателя поясняется векторной диаграммой, изображенной на фиг.2.
Известно, что вписанный в окружность треугольник, опирающийся на диаметр, является прямоугольным. Следовательно, вершины всех прямоугольных треугольников будут лежать на окружности, описанной из середины диаметра.
В тоже время известно, что векторная диаграмма последовательной RC-цепочки всегда является прямоугольным треугольником с гипотенузой, равной входному напряжению и отношением катетов, равному отношению сопротивлений ее элементов переменному току. Из этого следует, что при любых параметрах RC-цепочки все вершины ее векторной диаграммы всегда будут находиться на окружности, описанной из середины вектора входного напряжения, а при изменении параметров ее элементов вершина прямого угла будет перемещаться по окружности.
Из диаграммы видно, что при перемещении точки «б» по окружности вектор выходного напряжения Об может поворачиваться относительно входного напряжения от 0-180°, не изменяя своей величины.
г
б
г
б
г
Для перекрытия диапазона в 360° устройство снабжено второй RC-цепочкой, элементы которой включены так, чтобы при синфазном изменении ее элементов (т.е. в сторону уменьшения или увеличения) ее выходной вектор О поворачивался бы во встречном направлении к направлению поворота вектору О В этом случае угол поворота вектора О относительно входного напряжения будет меняться соответственно от 180° до 0°, а угол φ между выходными напряжениями О и О будет меняться от +180° до -180°, т.е. на 360°.
Применение предложенной схемы фазовращателя не предъявляет требований к параметрам ее элементов и величинам допусков на них. Равенство емкостей и сопротивлений рекомендовано исключительно из удобства изготовления.
1
2
1
2
Применяемый фазоинвертор выполнен на операционном усилителе типа К1401УД2А, С=С=1 мкф, R=R=10 Ком, диапазон при частоте 50 гц 288°.
Таким образом, в предлагаемом фазовращателе амплитуда на выходе не зависит от параметров элементов RC-цепочек и всегда равна амплитуде на входе инвертора, а реальный диапазон регулирования А(р определяется отклонением сопротивления конденсатора к максимальному сопротивлению резистора и может быть вычислен по формуле:
X
c
max
Δφ=(360-4arctg /R)°
max
при синфазном изменении сдвоенного резистора в диапазоне (от 0 до R).
В качестве фазоинвертора используют операционный усилитель с коэффициентом усиления равным единица.
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию полезной модели «новизна», т.к. из уровня техники не известны подобные технические решения с обеспечением указанного результата.
Таким образом, использование предлагаемого амплитудонезависимого широкополосного фазовращателя в стендах для поверки секторных реле обеспечивает высокую точность регулирования и позволяет достичь технический результат - получение неизменной амплитуды при изменении фазы во всем рабочем диапазоне фазовращателя.