ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В НАПРЯЖЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения активной мощности в цепях переменного тока.
Известен измеритель активной мощности [Авторское свидетельство СССР №951167, МПК G01R 21/06, опубл. 15.08.1982 г.], содержащий преобразователь напряжения, преобразователь тока, преобразователь измерительного сигнала, регистратор, измерительный преобразователь, включающий полевой транзистор, аналоговый сумматор, корректор, делитель напряжения, преобразователь напряжение - ток, фильтр низкой частоты.
Данное устройство имеет низкое быстродействие, обусловленное наличием фильтра низкой частоты и невысокую точность из-за нелинейности характеристик полевого транзистора.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является преобразователь активной мощности в напряжение постоянного тока [Авторское свидетельство СССР №1076840, МПК G01R 21/00, опубл. 28.02.1984 г.], содержащий блок управления, интегратор, коммутатор, источник опорного напряжения, сумматор, фильтр низких частот и компаратор, причем входы коммутатора подключены к входным шинам преобразователя и выходам источника опорного напряжения, управляющие входы - к выходам блока управления, а первый выход - к входу интегратора, первый вход компаратора через сумматор подключен к выходам коммутатора, выход - к входу блока управления, а второй вход - к выходу интегратора и через фильтр низких частот - к выходной шине преобразователя.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного преобразователя является низкое быстродействие, обусловленное большой постоянной времени фильтра низких частот. Постоянная времени фильтра низких частот выбирается достаточно большой исходя из обеспечения заданных пульсаций напряжения на самой нижней частоте рабочего диапазона, что предопределяет низкое быстродействие преобразователя во всем рабочем диапазоне частот.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение быстродействия преобразователя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный преобразователь активной мощности в напряжение постоянного тока, содержащий источник опорного напряжения, интегратор, компаратор и сумматор, дополнительно введены амплитудный детектор, квадратурный фазовращатель, счетный триггер, управляемый фазовращатель, преобразователь частота-напряжение, усилитель-ограничитель, управляемый усилитель, первый и второй перемножитель, причем вход сигнала, пропорционального напряжению исследуемой цепи, через квадратурный фазовращатель соединен с входом управляемого фазовращателя, выход которого подключен к первому входу первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, вход которого соединен с входом сигнала, пропорционального току исследуемой цепи и входу компаратора, выход которого соединен с входом преобразователя частота-напряжение и входом счетного триггера, выход которого соединен с управляющим входом управляемого усилителя и первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения, выход сумматора через усилитель-ограничитель соединен с первым входом второго перемножителя, второй вход которого подключен к выходу преобразователя частота-напряжение, выход второго перемножителя через интегратор соединен с входом управляемого усилителя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, а выход первого перемножителя соединен с выходом преобразователя.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение амплитудного детектора, квадратурного фазовращателя, управляемого фазовращателя, счетного триггера, преобразователя частота-напряжение, усилителя-ограничителя, управляемого усилителя, первого и второго перемножителей, а также организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение быстродействия преобразователя.
u
i
1
3
6
9
10
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователя активной мощности, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u, u-u, u, u, u и u.
Преобразователь (фиг. 1) содержит амплитудный детектор 1, квадратурный фазовращатель 2, управляемый фазовращатель 3, компаратор 4, счетный триггер 5, сумматор 6, усилитель-ограничитель 7, преобразователь частота-напряжение 8, источник опорного напряжения 9, второй перемножитель 10, интегратор 11, управляемый усилитель 12 и первый перемножитель 13.
Преобразователь работает следующим образом.
u
mu
1
u
Сигнал u=Usinωt, пропорциональный напряжению исследуемой цепи, подается на вход квадратурного фазовращателя 2, и на его выходе формируется напряжение u, сдвинутое по фазе на 90° относительно u в сторону отставания (фиг. 2):
где ω=2πf - круговая частота напряжения сети.
2
При этом сигнал  (где ϕ - угол сдвига фаз между напряжением и током исследуемой цепи), пропорциональный току исследуемой цепи, подается на вход компаратора 3, который преобразует это напряжение в напряжение u прямоугольной формы (фиг. 2), которое подается на входы преобразователя частота-напряжение 8 и вход счетного триггера 5 (фиг. 1).
2
3
Счетный триггер 5 делит частоту его входного напряжения u на два, и на его выходе формируется напряжение u прямоугольной формы с частотой f/2 (фиг. 2).
3
4
3
5
6
п1
7
max
п1
max
В сумматоре 6 напряжение u суммируется с отрицательным напряжением u от источника опорного напряжения 9, величина которого выбирается около половины амплитуды u. В результате на выходе сумматора 6 формируется переменное напряжение u прямоугольной формы с частотой f/2 и амплитудой близкой к 2,5 В, которое поступает на вход усилителя-ограничителя 7. Усилитель-ограничитель 7 формирует на своем выходе переменное напряжение u прямоугольной формы с фиксированным значением амплитуды, равным ±10 В. Это напряжение поступает на первый вход второго перемножителя 10, на второй вход которого поступает напряжение с выхода преобразователя частота-напряжение 8, пропорциональное частоте f входного сигнала преобразователя. При этом коэффициент передачи K=U/f преобразователя частота-напряжение 8 выбирается таким образом, чтобы при максимальной рабочей частоте f преобразователя, максимальное напряжение на втором входе второго перемножителя 10 не превышал 10 В, т.е. К=10/f.
6
7
8m
В результате перемножения напряжений u и u во втором перемножителе 10, на его выходе и на входе интегратора 11 формируется прямоугольное напряжение, амплитуда которого U пропорциональна текущей частоте f входного сигнала преобразователя:
п1
max
где K=10/f - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 8;
п2
К=0,1 - коэффициент передачи второго перемножителя 10;
6m
U=10 В - амплитуда выходного напряжения усилителя-ограничителя 7.
8
Интегратор 11 преобразует его входное напряжение u прямоугольной формы в переменное напряжение треугольной формы, амплитуда которого определяется выражением:
где Т=1/f- период входного сигнала преобразователя.
8
9
9m
Так как амплитуда входного напряжения u интегратора 11 пропорциональна частоте f, то выходное напряжение u интегратора 11 треугольной формы имеет стабильную амплитуду U=5 В и не зависит от частоты f входного сигнала преобразователя.
Отсюда следует, что для выбора параметров времязадающих элементов R и С схемы интегратора 11 необходимо выдержать следующее соотношение:
9
3
10
3
9
9
3
Выходное напряжение u интегратора 11 треугольной формы с частотой f/2 подается на вход управляемого усилителя 12, на управляющий вход которого подается напряжение u прямоугольной формы с выхода счетного триггера 5. Это напряжение приводит к переключению полярности выходного напряжения u управляемого усилителя 12. Причем положительная полярность напряжение u не изменяет полярность выходного напряжения u интегратора 11, а отрицательная полярность - приводит к изменению полярности напряжения u на противоположную. Коэффициент передачи управляемого усилителя 12 выбран, равным единице, поэтому в первый полупериод выходного напряжения u счетного триггера 4 он работает как повторитель, а во второй - как инвертор (фиг. 2).
10m
10
В результате на выходе управляемого усилителя 12 формируется переменное пилообразное спадающее напряжение амплитудой равной U=5 В и частотой f. Это напряжение u подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 3 (фиг. 2).
10
вх
В устройстве применен управляемый фазосмещатель 3, который позволяет линейно изменять фазу ср 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 фазосмещатель 3, изменяет фазу ϕ его входного сигнала от -180° до +180° с частотой ƒ входного напряжения u (фиг. 2).
i
10
11
Учитывая то, что напряжение u исследуемой цепи совпадает по фазе с выходным напряжением u управляемого усилителя 12, на выходе управляемого фазовращателя 3 формируется напряжение u:
Одновременно сигнал  пропорциональный току исследуемой цепи, подается на вход амплитудного детектора 1, на выходе которого формируется напряжение
11
12
вых
Напряжения u и u перемножаются в первом перемножителе 13, на выходе которого и на выходе преобразователя формируется выходное напряжение u:
где U, I - действующие значения напряжения и тока исследуемой цепи;
S - полная мощность исследуемой цепи;
Р- активная мощность исследуемой цепи;
U
К- коэффициент передачи датчика напряжения;
I
К- коэффициент передачи датчика тока;
р
К- коэффициент передачи преобразователя.
вых
В результате на выходе преобразователя формируется постоянное напряжение u, пропорциональное активной мощности исследуемой цепи.
Таким образом, применение в преобразователе амплитудного детектора 1, квадратурного фазовращателя 2, управляемого фазовращателя 3, счетного триггера 4, преобразователя частота-напряжение 8, усилителя-ограничителя 7, управляемого усилителя 12, первого и второго перемножителей 13 и 10 позволяет добиться требуемого технического результата - повышение быстродействия преобразователя.
При практической реализации предлагаемого преобразователя 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). Квадратурный фазовращатель 2 можно выполнить по схеме (Патент РФ №127554, НО3В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). Управляемый фазовращатель 3 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R 19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). Компаратор 4 можно выполнить на микросхеме К554СА3. В качестве счетного триггера 5 можно использовать микросхему К561ТВ1. Сумматор 6 представляет собой неинвертирующий сумматор на операционном усилителе (ОУ). Усилитель-ограничитель 7 может быть выполнен по схеме (А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 267, рис. 11.10). В качестве преобразователя частота-напряжение 8 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Источник постоянного напряжения 9 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. Перемножители 10 и 13 можно выполнить на микросхеме КР525ПС3А. Интегратор 11 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. Управляемый усилитель 12 можно выполнить по схеме управляемого усилителя (Патент на ПМ №168550 РФ, МПК G01R 25/00, опубл. 8.02.2017 г.).