ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к области измерения параметров электрической энергии и может быть использовано в устройствах измерения переменного напряжения или тока, а также в устройствах автоматики и релейной защиты.
Известно устройство, содержащее фазорасщепитель однофазного напряжения, собранный по мостовой схеме, в одно плечо которой включена емкость, а в три других - резисторы, и трехфазный двухполупериодный выпрямитель [Гельфанд Я.С. Релейная защита распределительных сетей. М.: «Энергия», 1975, с. 41].
Недостатком данного устройства является невысокое быстродействие и нелинейность характеристики преобразования.
8
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является преобразователь переменного напряжения в квазипостоянное [Авторское свидетельство СССР №613259 МПК G01R 19/22, опубл. 30.06.1978 г.], содержащий фазорасщепитель однофазного напряжения и трехфазный двухполупериодный выпрямитель, причем фазорасщепитель собран по мостовой схеме, в одно из плеч которой включена емкость, а в три других - резисторы, одна диагональ моста присоединена к источнику измеряемого напряжения, к другой подключены два резистора.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком данного преобразователя является относительно низкое входное и большое выходное (внутреннее) сопротивления фазорасщепителя, определяемые входящими в его состав пассивными компонентами. Низкое входное сопротивление оказывает шунтирующее действие на источник измеряемого напряжения. Большое выходное сопротивление приводит к падению напряжения на внутреннем сопротивлении особенно при больших значениях выходного сигнала.
В результате данный преобразователь не позволяет получать пропорциональной зависимости между выходным постоянным напряжением и действующим значением входного переменного напряжения, то есть имеет невысокую нелинейность, что приводит к снижению точности измерения входного напряжения.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности преобразователя путем повышения его линейности за счет обеспечения высокого входного и низкого выходного сопротивлений фазорасщепителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном преобразователе переменного напряжения в постоянное, содержащем фазорасщепитель однофазного напряжения и трехфазный двухполупериодный выпрямитель, фазорасщепитель содержит первый и второй фазосмещатели, буферный повторитель и инвертор, причем вход преобразователя является входом фазорасщепителя и соединен с входом буферного повторителя, выход которого подключен к входам инвертора и фазосмещателей, выходы которых и выход инвертора являются выходами фазорасщепителя и подключены к входам трехфазного двухполупериодного выпрямителя, выход которого является выходом преобразователя. Первый фазосмещатель содержит операционный усилитель, три резистора и конденсатор, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и с выходом первого фазосмещателя, вход которого соединен с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора и неинвертирующим входом операционного усилителя, а вторые выводы первого резистора и конденсатора подключены к шине нулевого потенциала. Второй фазосмещатель содержит операционный усилитель, три резистора и конденсатор, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен со вторым выводом второго резистора и с выходом второго фазосмещателя, вход которого соединен с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего резистора и неинвертирующим входом операционного усилителя, а вторые выводы первого резистора и конденсатора подключены к шине нулевого потенциала.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя является то, что фазорасщепитель содержит два фазосмещателя, буферный повторитель и инвертор, а также новая организация связей между элементами устройства. Совокупность элементов и связей между ними обеспечивают достижение положительного эффекта - повышения точности преобразователя.
вх
1
4
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя, на фиг. 2 - векторные диаграммы напряжений u, u-u и u, на фиг. 3 - схема первого фазосмещателя, на фиг. 4 - схема второго фазосмещателя.
Преобразователь (фиг. 1) содержит фазорасщепитель однофазного напряжения 1 и трехфазный двухполупериодный выпрямитель 2, а фазорасщепитель содержит два фазосмещателя 3 и 4, буферный повторитель 5 и инвертор 6, причем вход преобразователя является входом фазорасщепителя 1 и соединен с входом буферного повторителя 5, выход которого подключен к входам инвертора 6 и фазосмещателей 3 и 4, выходы которых и выход инвертора 6 являются выходами фазорасщепителя 1 и подключены к входам трехфазного двухполупериодного выпрямителя 2, выход которого является выходом преобразователя.
Фазосмещатель 3 (фиг. 3) содержит операционный усилитель 7, три резистора 8, 9, 10 и конденсатор 11, причем первые выводы резисторов 8, 9 подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 7, выход которого соединен со вторым выводом резистора 9 и с выходом первого фазосмещателя 3, вход которого соединен с первым выводом резистора 10, второй вывод которого соединен с первым выводом конденсатора 11 и неинвертирующим входом операционного усилителя 7, а вторые выводы резистора 8 и конденсатора 11 подключены к шине нулевого потенциала.
Фазосмещатель 3 предназначен для сдвига фазы входного сигнала на угол 60° в сторону отставания при единичном коэффициенте усиления. Для этого необходимо выдержать следующие соотношения между компонентами его схемы:
8
9
10
10
11
R=R=R; RC=0,55 мс.
Фазосмещатель 4 (фиг. 4) содержит операционный усилитель 12, три резистора 13, 14, 16 и конденсатор 15, причем первые выводы резисторов 13, 14 подключены к инвертирующему входу операционного усилителя 12, выход которого соединен со вторым выводом резистора 14 и с выходом второго фазосмещателя 4, вход которого соединен с первым выводом конденсатора 15, второй вывод которого соединен с первым выводом резистора 16 и неинвертирующим входом операционного усилителя 12, а вторые выводы резистора 13 и конденсатора 15 подключены к шине нулевого потенциала.
Фазосмещатель 4 предназначен для сдвига фазы входного сигнала на угол 60° в сторону опережения при единичном коэффициенте усиления. Для этого необходимо выдержать следующие соотношения между компонентами его схемы:
13
14
16
16
15
R=R=R; RC=1,84 мс.
Буферный повторитель 5 выполнен в виде неинвертирующего усилителя на операционном усилителе с единичным коэффициентом усиления и имеет очень большое входное сопротивление. Основным назначением буферного повторителя 5 является повышение входного сопротивления преобразователя.
Инвертор 6 представляет собой инвертирующий усилитель на операционном усилителе также с единичным коэффициентом усиления.
вх
1
вх
1
3
3
3
4
3
1
4
2
вых
вх
Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое напряжение переменного тока u подается на вход буферного повторителя 5, на выходе которого формируется напряжение u, равное по величине и совпадающее по фазе с входным u. Напряжение u подается на входы фазосмещателей 3, 4 и инвертора 6. На выходе фазосмещателя 3 формируется напряжение, равное по величине и сдвинутое по фазе относительно u на угол -60°, а на выходе фазосмещателя 4 - напряжение, равное по величине и сдвинутое по фазе относительно u на угол 60°. Инвертор 6 инвертирует напряжение u и на его выходе формируется напряжение u, равное по величине и находящееся в противофазе с наряжением u. В результате на выходе фазорасщепителя 1 имеем трехфазную систему напряжений u, u, u, сдвинутых относительно друг друга на угол 120° (фиг. 2). Выходные напряжения фазорасщепителя 1 выпрямляются трехфазным двухполупериодным выпрямителем 2, при этом на его выходе и на выходе преобразователя формируется постоянное напряжение u, среднее значение которого пропорционально действующему значению входного напряжения u.
Для расширения динамического диапазона входного напряжения в области малых сигналов трехфазный двухполупериодный выпрямитель 2 необходимо выполнять на диодах Шоттки, либо использовать активный или синхронный выпрямитель.
Таким образом, применение в фазорасщепителе преобразователя буферного повторителя 5 позволяет повысить входное сопротивление, а выполнение фазосмещателей 3, 4 и инвертора 5 на операционных усилителях 7, 12 приводит к снижению выходного сопротивления. В результате повышается линейность преобразователя во всем динамическом диапазоне входного сигнала, а, следовательно, повышается его точность.