ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к области измерения параметров электрической энергии и может быть использовано в устройствах измерения трехфазного переменного напряжения или тока, а также в устройствах автоматики и релейной защиты.
8
Известно устройство для измерения трехфазного напряжения [патент RU №2314630, МПК Н02М 7/00, G01R 29/16, опубл. 10.01.2008 г.], содержащее трехфазный мостовой выпрямитель, выполненный на диодах. Выходные выводы выпрямителя, являющиеся выходными выводами датчика, предназначены для присоединения цепи нагрузки. Во входные цепи переменного тока, подключенные к соответствующим фазам измеряемого источника напряжения, включены резисторы.
Недостатком данного устройства является низкая чувствительность и ограниченный динамический диапазон из-за значительного внутреннего сопротивления устройства.
8
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является измерительный преобразователь многофазного напряжения в постоянное [Авторское свидетельство СССР №1684702 МПК G01R 19/22, опубл. 15.10.1991 г.], содержащий выводы, предназначенные для подключения к фазам переменного напряжения, резистивные делители и многоплечий диодный мост, выход которого соединен с выходом преобразователя.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного преобразователя является его большое внутреннее сопротивление, обусловленное применением с целью расщепления фаз резистивных делителей, в результате выходное напряжение сильно зависит от нагрузки. Потеря мощности выходного сигнала приводит к снижению эффективности преобразования, чувствительности и рабочего диапазона. Кроме того, внутреннее сопротивление для различных фаз многофазного источника оказываются различным, что искажает форму синусоид и увеличивает пульсации выходного напряжения, а, следовательно, снижает точность преобразования.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение чувствительности и точности преобразователя за счет снижения его внутреннего сопротивление.
Указанный технический результат достигается тем, что в известный измерительный преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное, содержащий шесть резисторов и многоплечий диодный мост, выход которого соединен с выходом преобразователя, дополнительно введены трехфазный трансформатор, имеющий первичную обмотку, соединенную в звезду и присоединенную к сети, и две вторичных обмотки, первая из которых соединена в звезду, а вторая - в треугольник, и шесть сумматоров, причем выводы первой и второй вторичных обмоток трансформатора присоединены к первым выводам соответственно первых трех и вторых трех резисторов, соединенных в звезду, вторые выводы которых соединены с шиной нулевого потенциала, первый вывод первого резистора соединен со вторым входом второго сумматора и первым входом третьего сумматора, первый вывод второго резистора соединен с первым входом первого сумматора и вторым входом третьего сумматора, первый вывод третьего резистора соединен со вторым входом первого сумматора и первым входом второго сумматора, первый вывод четвертого резистора соединен со вторым входом пятого сумматора и первым входом шестого сумматора, первый вывод пятого резистора соединен с первым входом четвертого сумматора и вторым входом шестого сумматора, первый вывод шестого резистора соединен со вторым входом четвертого сумматора и первым входом пятого сумматора, а выводы вторичных обмоток трансформатора и выходы сумматоров соединены с входами многоплечего диодного моста. Каждый сумматор содержит операционный усилитель и четыре резистора, причем первые выводы первого, второго и третьего резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и выходом сумматора, первый и второй входы которого подключены соответственно ко вторым выводам первого и третьего резисторов, а неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя является введение трехфазного трансформатора, шести сумматоров и организация новых связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения чувствительности и точности преобразователя.
1-1
1-6
2-1
2-6
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя, на фиг. 2 - схема сумматоров, на фиг. 3 - векторные диаграммы напряжений u-u и u-u.
1
2
3
2
3
2
3
Преобразователь (фиг. 1) содержит трехфазный трансформатор 1, имеющий первичную обмотку W, соединенную в звезду и присоединенную к сети, и две вторичных обмотки, первая из которых W соединена в звезду, а вторая W - в треугольник, шесть резисторов 2-7, шесть сумматоров 8-13 и многоплечий диодный мост 14, причем выводы первой W и второй W вторичных обмоток трансформатора 1 присоединены к первым выводам соответственно первых трех 2-4 и вторых трех 5-7 резисторов, соединенных в звезду, вторые выводы которых соединены с шиной нулевого потенциала, первый вывод резистора 2 соединен со вторым входом сумматора 9 и первым входом сумматора 10, первый вывод резистора 3 соединен с первым входом сумматора 8 и вторым входом сумматора 10, первый вывод резистора 4 соединен со вторым входом сумматора 8 и первым входом сумматора 9, первый вывод резистора 5 соединен со вторым входом сумматора 12 и первым входом сумматора 13, первый вывод резистора 6 соединен с первым входом сумматора 12 и вторым входом сумматора 13, первый вывод резистора 7 соединен со вторым входом сумматора 11 и первым входом сумматора 12, а выводы вторичных обмоток трансформатора W, W и выходы сумматоров 8-13 соединены с входами многоплечего диодного моста 14.
Сумматоры 8-13 выполнены инвертирующими. Каждый сумматор (фиг. 1) содержит операционный усилитель 15 и четыре резистора 16-19, причем первые выводы резисторов 16-18 подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 15, выход которого соединен со вторым выводом резистора 17 и выходом сумматора 15, первый и второй входы которого подключены соответственно ко вторым выводам резисторов 16, 18, а неинвертирующий вход операционного усилителя 15 соединен с первым выводом резистора 19, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала.
Преобразователь работает следующим образом.
1-1
1-3
2
1-1
1-4
1-6
3
3
1-4
1-6
3
1-1
1-3
3
2
На резисторах 2-4 формируются векторы фазных напряжений u-u вторичной обмотки W трехфазного трансформатора 1, сдвинутые между собой на угол 120°. При этом за начало отсчета принята фаза вектора напряжения u на резисторе 2. На резисторах 5-7 формируются векторы фазных напряжений u-u вторичной обмотки W трансформатора 1, также сдвинутые между собой на угол 120°. В связи с тем, что вторичная обмотки W трансформатора 1 соединена в треугольник, то векторы фазных напряжений u-u вторичной обмотки W отстают от соответствующих векторы фазных напряжений u-u на угол 30° (фиг. 3). Причем для выравнивания модулей исходных векторов напряжений количество витков вторичной обмотка W выбрано в  раз больше количества витков вторичной обмотки W.
2-1
2-3
1-1
1-3
2-1
2-3
1-2
1-3
1-3
1-1
1-1
1-2
2-4
2-6
1-4
1-6
2-4
2-6
1-5
1-6
1-6
1-4
1-4
1-5
2-1
2-6
На выходах сумматоров 8-10 формируется трехфазная система векторов напряжений u-u, отстающих от векторов напряжений u-u на угол 15°. Причем для повышения точности векторы напряжений u-u формируются посредством сложения соответственно векторов напряжений u и u, u и u, u и u с последующим инвертированием. На выходах инвертирующих сумматоров 11-13 формируется трехфазная система векторов напряжений u-u, отстающих от векторов напряжений u-u на угол 15°. Векторы напряжений u-u формируются посредством сложения соответственно векторов напряжений u и u, u и u, u и u с последующим инвертированием (фиг. 3). Для обеспечения фазового сдвига векторов выходных напряжений u-u сумматоров 8-13 на 15° величины сопротивлений резисторов 16-19 выбираются из соотношений:
16
17
18
17
R=0,816·R; R=1,115·R;
19
16
18
16
17
18
17
16
17
18
R=(RR+RR+RR)/(R+R+R).
1-1
1-6
2-1
2-6
В результате на входах многоплечего диодного моста 14 формируется двенадцатифазная система напряжений u-u, u-u (фиг. 2):
1-1
фm
1-2
фm
1-3
фm
u=Usinωt; u=Usin(ωt-120°); u=Usin(ωt+120°);
1-4
фm
1-5
фm
1-6
фm
u=U(sinωt-30°); u=Usin(ωt-150°); u=Usin(ωt+90°);
2-1
фm
2-2
фm
2-3
фm
u=U(sinωt-15°); u=Usin(ωt-135°); u=Usin(ωt+105°);
2-4
фm
2-5
фm
2-6
фm
u=U(sinωt-45°); u=Usin(ωt-165°); u=Usin(ωt+75°).
Многофазное напряжение выпрямляется диодным мостом 14, на выходе которого формируется напряжение постоянного тока с коэффициентом пульсаций, определяемым фазностью системы напряжений.
Таким образом, применение в преобразователе сумматоров 8-13 позволяет значительно снизить его внутреннее сопротивление, в результате чего повышается чувствительность и точность измерения напряжения во всем динамическом диапазоне входного сигнала.
Для расширения динамического диапазона входного напряжения в области малых сигналов выпрямитель 14 необходимо выполнять на диодах Шоттки. Для уменьшения коэффициента пульсаций и увеличения точности следует увеличить количество сумматоров при одновременном уменьшении угла сдвига фаз.