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 (интеграторов), используемых в качестве регуляторов, обеспечивающих работу управляемых делителей, включенных в цепи информационного сигнала. Постоянная времени интеграторов 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, интегрирующее звено, сумматор и отсчетное устройство, дополнительно введены амплитудный детектор, блок деления, управляемый фазовращатель, компаратор, счетный триггер, источник задающего сигнала, усилитель-ограничитель, преобразователь частота-напряжение, перемножитель и управляемый усилитель, 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 преобразователя частота-напряжение и входом счетного триггера, выход которого соединен с управляющим входом управляемого усилителя и с первым входом сумматора, выход которого через усилитель-ограничитель соединен с первым входом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом преобразователя частота-напряжение, выход перемножителя через интегрирующее звено соединен с входом управляемого усилителя, выход которого соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, а второй вход сумматора соединен с выходом источника задающего сигнала.
Существенными отличиями предлагаемого измерителя являются введение амплитудного детектора, блока деления, управляемого фазовращателя, компаратора, счетного триггера, источника задающего сигнала, усилителя-ограничителя, преобразователя частота-напряжение, перемножителя, управляемого усилителя, а также организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышение быстродействия и точности измерителя.
и
i
1
4
7
10
11
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, u и u.
Измеритель (фиг. 1) содержит амплитудный детектор 1, блок деления 2, управляемый фазовращатель 3, квадратурный фазовращатель 4, компаратор 5, счетный триггер 6, сумматор 7, источник задающего сигнала 8, усилитель-ограничитель 9, преобразователь частота-напряжение 10, перемножитель 11, интегрирующее звено (интегратор) 12, управляемый усилитель 13 и отсчетное устройство 14.
Измеритель работает следующим образом.
и
mu
Сигнал u=Usinωt, пропорциональный напряжению исследуемой цепи,
mu
1
1
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
и
Одновременно сигнал u=Usin(ωt-ψ), 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):
где ω=2πƒ - круговая частота напряжения сети;
ψ - 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 10 и счетного триггера 6.
3
4
Счетный триггер 6 делит частоту его входного напряжения u на два, и на его выходе формируется напряжение u прямоугольной формы с частотой ƒ/2 (фиг. 2).
4
5
4
в
7
п1
8
max
п1
max
В сумматоре 7 напряжение u суммируется с отрицательным напряжением uот источника задающего сигнала 8, величина которого выбирается около половины амплитуды u. В результате на выходе сумматора 7 формируется переменное напряжение u прямоугольной формы с частотой ƒ/2 и амплитудой близкой к 2,5 В, которое поступает на вход усилителя-ограничителя 9. Усилитель-ограничитель 9 формирует на своем выходе переменное напряжение u прямоугольной формы с фиксированным значением амплитуды, равным +10 В (фиг. 2). Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 11, на второй вход которого поступает напряжение с выхода преобразователя частота-напряжение 10, пропорциональное частоте ƒ исследуемого сигнала измерителя. При этом коэффициент передачи K=U/ƒ преобразователя частота-напряжение 10 выбирается таким образом, чтобы при максимальной рабочей частоте ƒ измерителя, максимальное напряжение на втором входе перемножителя 11 не превышал 10 В, т.е. K=10/ƒ.
7
8
9m
В результате перемножения напряжений u и u в перемножителе 11, на его выходе и на входе интегратора 12 формируется прямоугольное напряжение, амплитуда которого U пропорциональна текущей частоте ƒ входного сигнала измерителя:
п1
max
где K=10/ƒ - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 10;
п2
K=0,1 - коэффициент передачи перемножителя 11;
7m
U=10 В - амплитуда выходного напряжения усилителя-ограничителя 9.
9
Интегратор 12 преобразует его входное напряжение u прямоугольной формы в переменное напряжение треугольной формы, амплитуда которого определяется выражением:
где T=1/ƒ - период входного сигнала измерителя.
9
10
10m
Так как амплитуда входного напряжения u интегратора 12 пропорциональна частоте ƒ, то его выходное напряжение u треугольной формы имеет стабильную амплитуду U=5 В и не зависит от частоты ƒ входного сигнала измерителя.
Отсюда следует, что для выбора параметров времязадающих элементов R и С схемы интегратора 12 необходимо выдержать следующее соотношение:
10
4
10
4
10
10
4
Выходное напряжение u интегратора 12 треугольной формы с частотой ƒ/2 подается на вход управляемого усилителя 13, на управляющий вход которого подается напряжение u прямоугольной формы с выхода счетного триггера 6. Это напряжение приводит к переключению полярности выходного напряжения uуправляемого усилителя 13. Причем наличие напряжения u на выходе счетного триггера 6 приводит к изменению полярности выходного напряжения u интегратора 12 на противоположную, а его отсутствие - не изменяет полярность напряжения u. Коэффициент передачи управляемого усилителя 13 выбран, равным единице, поэтому в один полупериод выходного напряжения u счетного триггера 6 он работает как инвертор, а в другой - как повторитель (фиг. 2).
11m
11
В результате на выходе управляемого усилителя 13 формируется переменное пилообразное напряжение амплитудой равной U=5 В и частотой ƒ. Это напряжение u подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 3 (фиг. 2).
11
и
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 ƒ напряжения u (фиг. 2).
и
10
вых
Учитывая то, что напряжение u исследуемой цепи отстает от выходного напряжения u интегратора 12 на угол (90° - ϕ), на выходе управляемого фазовращателя 3 и на выходе измерителя, формируется выходное напряжение u:
вых
вых
В результате на выходе измерителя формируется постоянное напряжение u, пропорциональное коэффициенту мощности cosϕ исследуемой цепи. Напряжение u подается на вход отсчетного устройства 14, проградуированного в значениях коэффициента мощности исследуемой цепи.
Таким образом, применение в измерителе амплитудного детектора 1, блока деления 2, управляемого фазовращателя 3, компаратора 5, счетного триггера 6, источника задающего сигнала 8, усилителя-ограничителя 9, преобразователя частота-напряжение 10, перемножителя 11 и управляемого усилителя 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 К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Управляемый фазовращатель 3 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). Квадратурный фазовращатель 4 можно выполнить по схеме (Патент РФ №127554, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). Компаратор 5 можно выполнить на микросхеме К554СА3. В качестве счетного триггера 6 можно использовать микросхему К561ТВ1. Сумматор 7 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ. Источник постоянного напряжения 8 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. Усилитель-ограничитель 9 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 10 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Перемножитель 11 можно выполнить на микросхеме КР525ПС3. Интегратор 12 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. Управляемый усилитель 13 можно выполнить по схеме управляемого усилителя (Патент на ПМ №168550 РФ, МПК G01R 25/00, опубл. 8.02.2017 г.).