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, одновибратор, управляемый фазовращатель, преобразователь частота-напряжение и перемножитель, а интегратор выполнен со сбросом, причем вход сигнала, пропорционального напряжению исследуемой цепи, через квадратурный фазовращатель соединен с входом управляемого фазовращателя, выход которого подключен к первому входу 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 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, выход сумматора соединен с управляющим входом управляемого фазовращателя, а выход управляемого фазовращателя является выходом устройства.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение амплитудного детектора, квадратурного фазовращателя, одновибратора, управляемого фазовращателя, преобразователя частота-напряжение, перемножителя, выполнение интегратора со сбросом, 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
5
7
8
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 и u.
Преобразователь (фиг. 1) содержит амплитудный детектор 1, квадратурный фазовращатель 2, компаратор 3, одновибратор 4, интегратор со сбросом 5, преобразователь частота-напряжение 6, источник опорного напряжения 7, сумматор 8, управляемый фазовращатель 9 и перемножитель 10.
Измеритель 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):
1
mu
u=Usin(ωt-90°),
где ω=2πf - круговая частота напряжения сети.
i
mi
2
При этом сигнал u=Usin(ωt-ϕ) (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 6 и одновибратора 4.
2
3
4
По фронтам импульсов напряжения u запускается одновибратор 4 и на его выходе формируются узкие импульсы u фиксированной длительности с частотой ω, которые подаются на вход сброса интегратора со сбросом 5. Одновременно преобразователь частота-напряжение 6 преобразует частоту этих импульсов в постоянное напряжение U положительной полярности величиной:
ПЧН
где K - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 6;
ƒ - частота напряжения исследуемой цепи;
max
ƒ - максимальная рабочая частота преобразователя;
ПЧН
4
max
ПЧН
max
При этом значение K выбирается из условия получения максимального выходного напряжения U=10 В при ƒ, т.е. K=10/ƒ.
4
Выходное напряжение U преобразователя частота-напряжение 6 поступает на вход интегратора со сбросом 5.
5
На выходе интегратора со сбросом 5 формируется пилообразное напряжение u отрицательной полярности с частотой ƒ напряжения исследуемой цепи преобразователя, амплитуда которого определяется по формуле:
5m
где U - амплитуда выходного напряжения интегратора со сбросом 5;
u
T - период напряжения исследуемой цепи u;
u
f - частота напряжения исследуемой цепи u;
R - сопротивление резистора интегратора со сбросом 5;
С - емкость конденсатора интегратора со сбросом 5.
max
5m
u
Таким образом, при выборе постоянной интегрирования RC интегратора со сбросом 5 равной RC=1/ƒ амплитуда его выходного напряжения U не зависит от частоты напряжения u во всем рабочем диапазоне частот преобразователя.
5
6
см
7
Выходное напряжение u интегратора со сбросом 5 суммируется в сумматоре 8 с напряжением смещения u=U=5 В от источника опорного напряжения 7, в результате чего на выходе сумматора 8 формируется переменное пилообразное напряжение u амплитудой 5 В. Это напряжение подается на управляющий вход управляемого фазовращателя 9.
7
u
В устройстве применен управляемый фазовращатель 9, 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 9, изменяет фазу ψ его входного сигнала от -180° до +180° с частотой ω напряжения u (фиг. 2).
i
5
8
Учитывая то, что напряжение u исследуемой цепи совпадает по фазе с выходным напряжением u интегратора со сбросом 5, на выходе управляемого фазовращателя 9 формируется напряжение u:
8
mu
mu
mu
mu
u=Usin(ωt+ψ)=Usin{ωt-90°+[180°-(ωt-ϕ)]}=Usin(90°+ϕ)=Ucosϕ.
i
mi
9
mi
Одновременно сигнал u=Usin(ωt-ϕ), пропорциональный току исследуемой цепи, подается на вход амплитудного детектора 1, на выходе которого формируется напряжение u=U.
8
9
вых
Напряжения u и u перемножаются в перемножителе 10, 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
K - коэффициент передачи датчика напряжения;
I
K - коэффициент передачи датчика тока;
p
K - 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, одновибратора 4, управляемого фазовращателя 9, преобразователя частота-напряжение 6, перемножителя 10 и выполнение интегратора 5 со сбросом позволяет добиться требуемого технического результата - повышение быстродействия преобразователя.
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). Квадратурный фазовращатель 2 можно выполнить по схеме (Патент РФ №127554, Н03В 27/00. Формирователь квадратурных сигналов, опубл. 27.04.2013 г.). Компаратор 3 можно выполнить на микросхеме К554СА3. Одновибратор 4 можно выполнить на микросхеме К561АГ1. Интегратор со сбросом 5 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). В качестве преобразователя частота-напряжение 6 можно использовать преобразователь на микросхеме КР1108ПП1. Источник опорного напряжения 7 представляет собой обычный источник стабильного напряжения. Сумматор 8 представляет собой неинвертирующий сумматор на ОУ. Управляемый фазовращатель 9 можно выполнить по схеме (Патент на ПМ №206198 РФ, G01R 19/22. Управляемый фазовращатель, опубл. 30.08.2021 г.). Перемножитель 10 можно выполнить на микросхеме КР525ПС3.