УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВОГО ДАТЧИКА УГЛА ФАЗОВОГО СДВИГА МЕЖДУ НАПРЯЖЕНИЕМ И ТОКОМ
DEVICE OF ANALOG SENSOR OF PHASE SHIFT ANGLE BETWEEN VOLTAGE AND CURRENT

Изобретение относится к устройствам измерительной техники и может быть применено в качестве датчика угла фазового сдвига между напряжением и током в системах регулирования возбуждения синхронных электродвигателей, когда они работают в режиме стабилизации коэффициента мощности в узле нагрузки, а также в системах регулирования компенсации реактивной мощности индукционных нагревательных установок, работающих на промышленной и средней частотах при нагреве до высоких температур, к выходу устройства может подключаться прибор для измерения угла фазового сдвига ±80°. Кроме точности величины сигнала, пропорционального углу фазового сдвига, к датчику предъявляется требование высокого быстродействия, линейности выходных характеристик при допустимом коэффициенте пульсаций выходного напряжения, что достигается максимальным использованием полезного сигнала в каждый полупериод синусоиды с частотой 100 Гц, а также достигается изменение полярности выходного сигнала при изменении опережения током напряжения по фазе по сравнению с отставанием.
В источнике аналога (ФАЗОМЕТР. Автор: А. Петров, г.Могилев. Дата публикации: 13.08.2004) приводится краткое описание:
«В ряде случаев, например, при настройке фазовращателей систем пространственного звука, при установке угла наклона рабочих зазоров магнитных головок в стереофоническом магнитофоне и т.п., требуется точно определять сдвиг фаз между двумя напряжениями одной частоты. Фазометр с импульсным частотно-фазовым детектором позволяет измерять не только сдвиг фаз, но и фиксировать знак сдвига (опережение или запаздывание). Предлагаемый фазометр (рис.1) выполнен как приставка к цифровому мультиметру (можно использовать и обычный авометр). На входах фазометра на операционных усилителях DA1 и DA2 выполнены гистерезисные компараторы (триггеры Шмидта). Чувствительность компараторов - около 30 мВ. С выходов компараторов сигналы поступают на импульсный частотно-фазовый детектор с тремя состояниями, выполненный на D-триггерах DD1.1, DD1.2 и транзисторах VT5, VT6. Нагрузкой детектора служит резистор R17.
Для выделения постоянной составляющей, пропорциональной сдвигу фаз, служит фильтр НЧ второго порядка на DA3.
Питание транзисторов детектора выбрано равным ±3,6 В, что соответствует сдвигу фаз ±360°. Точность измерений зависит от амплитуды входных сигналов - чем она больше, тем выше точность измерений. При малых уровнях исследуемых сигналов (до 100…200 мВ) их амплитуды должны быть близки по величине.
Напряжения ±3,6 В получаются из стабилизированных напряжений питания ±5 В с помощью схемы на транзисторах VT1…VT4, в которой VT1 и VT2 служат для термостабилизации».
D-триггеры DD1.1, DD1.2, типа К561ТМ2 являются двухтактными D-триггерами, у которых по фронту первого импульса синхронизации на входе С логический уровень, присутствующий на входе D, записывается в первый однотактный D-триггер. По фронту второго импульса синхронизации, на выходе Q устанавливается уровень, присутствующий на входе D перед первым синхроимпульсом (сигнал задерживается на один такт). Входы R и S не зависят от импульсов синхронизации и имеют активные высокие уровни. Поступление высокого уровня на входы R или S устанавливает оба однотактных D-триггера соответственно в «0» или «1» независимо от входов D и С.
Учитывая вышесказанное и схему включения D-триггеров (рис.1), можно изобразить диаграмму напряжений и определить, что импульсы на нагрузочном сопротивлении R17 будут следовать один раз за период, с частотой 50 Гц.
Недостатки аналога: малое быстродействие, определяемое большой постоянной времени фильтра на выходе Т≈0,3 с, из-за низкой частоты импульсов; нелинейность характеристик фильтра, так как постоянные времени заряда и разряда фильтрующих конденсаторов различны по величине; малое выходное напряжение; наличие максимального напряжения на выходе при отсутствии сигнала на одном из входов.
Указанные недостатки не позволяют применить данное устройство в качестве аналогового датчика в системе стабилизации угла сдвига по фазе между током и напряжением.
Наиболее приемлемым для прототипа является устройство, опубликованное в журнале Радио №5, 1990 г., стр.56. Автор: В. БУТЕВ, г.Донецк «ЭЛЕКТРОННЫЙ ФАЗОМЕТР». Приводится описание:
«Фазометр предназначен для измерения углов сдвига фаз между двумя изменяющимися периодически электрическими колебаниями и может быть применен в радиолюбительской практике при разработке, регулировке и эксплуатации электронных и электротехнических аппаратов и устройств. Предлагаемый электронный фазометр дает одновременно информацию о знаке и величине угла сдвига фаз, что делает ее более наглядной. В приборе удалось существенно упростить узлы выделения величины и знака угла и совместить функции отдельных элементов.
Основные технические характеристики:
Диапазон измеряемых углов сдвига фаз, эл. град…0…180
Диапазон рабочих частот, Гц…10…104
Диапазон входных напряжений, В…0,01…50
Диапазон измеряемых токов, А…0,01…2
BX1
BX2
Погрешность измерения, %, не более…2 Принципиальная схема электронного фазометра приведена на рис.2. Входные напряжения U и U произвольной формы (например, синусоидальные) от измеряемых цепей через делители R1, VD1, VD2 и R2, VD3, VD4 поступают на вход формирователей DA1 и DA2 (компараторы напряжения) и преобразуются в однополярные прямоугольные импульсы с достаточно крутыми фронтами и спадами. Ширина импульсов соответствует длительности полупериода входного сигнала, что иллюстрируется временными диаграммами, представленными на рис.3.
BX1
BX2
Динамический D-триггер (DDI) выделяет знак угла сдвига фаз, т.е. фиксирует в момент формирования фронта импульса второго измерительного канала, используемого в данной схеме в качестве синхронизирующего (тактового), опережающий или отстающий характер сигнала первого измерительного канала, выход формирователя которого соединен с информационным входом D-триггера. При этом синхронизирующий импульс своим фронтом переводит D-триггер в состояние, определяемое уровнем напряжения на его информационном входе в данный момент времени. Поэтому, если входное напряжение U опережает по фазе напряжение U, то на прямом выходе D-триггера (вывод 9 DD1.1) устанавливается напряжение, соответствующее логической единице, а на инверсном выходе - логическому нулю.
BX1
BX2
Измеритель величины угла сдвига фаз реализован на базе элемента совпадения (DD2.2), один из входов которого соединен непосредственно с выходом формирователя DA2, а второй - через инвертор DD2.1 с формирователем DA1 измерительного канала. Ширина формируемого импульса на выходе такого элемента пропорциональна углу взаимного перекрытия входных импульсов, т.е. углу сдвига фаз между напряжениями U и U, что подтверждается временными диаграммами на рис.3. Объединение информации о величине и знаке угла в рассматриваемой схеме осуществляется за счет введения в ее состав еще одного элемента совпадения (DD2.3), выполняющего те же функции измерения величины угла, что и описанный выше. Однако каждый из этих элементов 3И-НЕ (DD2.2 и DD2.3) одним из своих входов соединен соответственно с прямым и инверсным выходами D-триггера, в результате чего последний и определяет, на выходе какого из элементов совпадения выделяется импульс, по ширине равный углу сдвига фаз.
BX1
BX2
Измерительный прибор РА1 включен между выходами элементов совпадения DD2.2 и DD2.3, образуя при этом дифференциальную схему, вследствие чего его стрелка будет отклоняться в сторону, определяемую знаком угла, и на угол, соответствующий углу сдвига фаз между напряжениями U и U. Конденсатор С1, включенный параллельно индикатору РА1, предназначен для уменьшения пульсации стрелки при измерениях на низких частотах.
Построение входных цепей фазометра позволяет измерять угол сдвига фаз не только между двумя напряжениями, но и между током и напряжением или между двумя токами, для чего входные делители снабжены соответствующими выводами.
Питание устройства осуществлено от одного источника однополярного стабилизированного напряжения (рис.4).
Расширение пределов измерения по напряжению входного сигнала можно осуществить за счет пропорционального изменения параметров резисторов R1 и R2. Если же нет необходимости в измерении знака фазового угла, то из схемы можно исключить динамический D-триггер, а узел выделения сигнала разности угла сдвига фаз (рис.5) включить непосредственно к выходам компараторов DA1 и DA2. В этом устройстве элемент DD1.4 реализует дифференциальную схему включения индикатора РА1 и обеспечивает компенсацию напряжения логического нуля.
В качестве индикатора контролируемого параметра РА1 могут быть использованы электронный осциллограф или цифровой вольтметр, это позволит существенно повысить точность воспроизведения измеряемой величины. Величину отклонений стрелки индикатора не требуемую отметку шкалы осуществляют резистором R5».
Недостатки прототипа: малое быстродействие, определяемое большой постоянной времени фильтра на выходе T≈0,2 с, из-за низкой частоты импульсов 50 Гц; нелинейность характеристик из-за высокоомного сопротивления на выходе; малое выходное напряжение; наличие максимального напряжения на выходе при отсутствии сигнала на одном из входов; устройство, предназначено только для подключения прибора измерения угла фазового сдвига с изменением его знака, так как показывающий прибор подключается между выходами однополярных элементов И-НЕ, то есть на разность средних напряжений; малая величина выходного напряжения.
Указанные недостатки не позволяют применить данное устройство в качестве аналогового датчика в системе стабилизации угла сдвига по фазе между током и напряжением.
Технический результат предлагаемого изобретения - высокое быстродействие (постоянная времени 0,03 с), выходное напряжение не менее ±10,0 В при максимальных углах сдвига ±80°, выходное сопротивление не более 100,0 Ом, нелинейность характеристик не более 2% при сопротивлении нагрузки >2,5 кОм, коэффициент пульсаций при углах сдвига 10° не превышает 5%, изменение знака выходного напряжения при опережении тока по сравнению с отставанием, отсутствие сигнала на выходе при величине тока на одном из входов датчика меньше 5,0% от номинального.
Технический результат достигается тем, что в устройстве аналогового датчика угла фазового сдвига между напряжением и током максимально используется возможный полезный сигнал после исключающего ИЛИ с частотой 100 Гц, применяются основные элементы такие как: усилитель настройки начального фазового сдвига, исключающее ИЛИ, операционный усилитель в дифференциальном включении с переключающим транзистором, задержка по времени, прецизионный выпрямитель, полевой транзистор для шунтирования выходного сигнала усилителя. Клемма переменного сигнала пропорционального току соединена с входом предварительного усилителя, выход этого усилителя одновременно соединен с входом компаратора и прецизионного выпрямителя, выход исключающего ИЛИ соединен с входом операционного усилителя в дифференциальном включении, переключающий транзистор соединен с общей точкой и не инвертирующим входом усилителя в дифференциальном включении, база переключающего транзистора соединена с выходом синхронизированного D-триггера, вход D которого соединен с компаратором напряжения через логические элементы И-НЕ в инверсном включении, а его синхронизирующий вход Т соединен с выходом задержки по времени на логических элементах И-НЕ, входы которых соединены с компараторами тока и напряжения через логические элементы И-НЕ в инверсном включении, кроме того, напряжение с выхода прецизионного выпрямителя соединено с входом компаратора, а выход компаратора соединен с затвором полевого транзистора, сток исток которого соединен с входом и выходом выходного усилителя.
Схема устройства аналогового датчика угла фазового сдвига между напряжением и током приведена на рис.6, где обозначены элементы схемы:
1 - клемма, на которую подается переменное напряжение амплитудой 6,0 В с вторичной обмотки промежуточного трансформатора напряжения;
2 - компаратор на операционном усилителе;
3 - диод для исключения отрицательных составляющих прямоугольных импульсов;
4 - логический элемент И-НЕ для нормализации крутизны фронта импульсов после компаратора 2;
5 - клемма, на которую подается переменное напряжение, пропорциональное току I с промежуточного трансформатора тока;
6 - предварительный усилитель, с помощью которого производится усиление переменного напряжения пропорционального току и настройка начального фазового сдвига;
7 - конденсаторы, позволяющие изменять фазовый сдвиг напряжения на выходе усилителя 6;
8 - регулировочный резистор для изменения фазового сдвига напряжения на выходе усилителя 6;
9 - двуханодный стабилитрон для ограничения напряжения при больших токах короткого замыкания;
10 - компаратор на операционном усилителе;
11 - диод для исключения отрицательных составляющих прямоугольных импульсов;
12 - логический элемент И-НЕ для нормализации крутизны фронта импульсов после компаратора 10;
13 - логический элемент исключающее ИЛИ, на выходе которого импульсы с частотой 100 Гц и длительностью, пропорциональной углу фазового сдвига;
14 - операционный усилитель в дифференциальном включении;
15 - переключающий транзистор для изменения полярности импульсов на выходе усилителя 14;
16 - логические элементы для выделения длительности пересечения импульсов соответствующих напряжению и току;
17 - логические элементы И-НЕ для создания задержки по времени с целью создания интервала времени Δt и предотвращения одновременного переключения на входах D-триггера;
18 - синхронизированный D-триггер на четырех логических элементах И-НЕ;
19 - диоды на выходе усилителя 14 компенсируют постоянный низкий уровень напряжения с элемента 13;
20 - резистор для регулирования равенства по амплитуде положительных и отрицательных импульсов;
21 - выходной усилитель, выполняющий также функцию линейного фильтра;
22 - резистор для установки нуля на выходе усилителя 21;
23, 24 - операционные усилители, на основе которых выполнен прецизионный выпрямитель с усилением и фильтрацией;
25 - компаратор на операционном усилителе;
26 - резисторы (делитель) для создания эталонного напряжения;
27 - полевой транзистор для шунтирования выходного сигнала усилителя 21 при недопустимо малом токе в измеряемой цепи.
4
Диаграммы напряжений поясняющие работу устройства приведены на рис.7 при отставании тока от напряжения (активно - индуктивная нагрузка), а на рис.8 при опережении током напряжения (активно - емкостная нагрузка). Переменное напряжение U (рис.7) с амплитудой 6,0 В с промежуточного трансформатора напряжения подается на клемму 1 - вход компаратора 2 (рис.6), на выходе которого будут прямоугольные разнополярные импульсы, отрицательные составляющие которых срезаются диодом 3, затем положительные составляющие поступают на логический элемент 4, на выходе которого будут импульсы U (рис.7 и 8) с нормализованным фронтом, совпадающие по фазе с напряжением.
12
Переменное напряжение, пропорциональное току I с промежуточного трансформатора тока (аналогичного как в статических реле тока, например, РСТ - 11) подается на клемму 5 - вход предварительного усилителя 6, с помощью которого производится усиление переменного сигнала тока с возможностью регулирования сдвига по фазе на за счет конденсаторов 7 и регулировочного резистора 8. Такая регулировка необходима для компенсации разности углов сдвига вносимых промежуточными трансформаторами напряжения и тока. Напряжение с усилителя 6 ограничивается двуханодным стабилитроном 9 (в случае короткого замыкания) и поступает на компаратор 10, прямоугольные импульсы с диода 11 нормализуются элементом 12, на выходе которого прямоугольные однополярные импульсы U совпадающие по фазе с током (рис.7 и 8).
13
Импульсы с элементов 4 и 12 поступают на входы логического элемента 13 (исключающее ИЛИ), на выходе которого будут прямоугольные однополярные импульсы U, следующие с частотой 100 Гц, длительность которых, а значит и среднее напряжение пропорциональны величине угла фазового сдвига между током и напряжением.
12
12
4
Из рис.7 и 8 видно, что каждая пара соседних импульсов U совпадает по времени с импульсами, соответствующими току U и напряжению U, поэтому определение отставания или опережения тока нельзя сделать с помощью простейших логических операций, поэтому применяются линия задержки и элемент с памятью.
13
Импульсы напряжения U поступают на вход операционного усилителя 14 в дифференциальном включении, у которого с помощью переключающего транзистора 15 изменяется полярность выходного сигнала. Резисторы усилителя 14 рассчитываются таким образом, чтобы коэффициенты усиления были равны по абсолютной величине как при открытом, так и закрытом транзисторе 15.
4
12
Для переключения транзистора 15 (отставание тока или опережение) в устройстве применяются, логические элементы 16 для выделения длительности пересечения импульсов U и U соответствующих напряжению и току, задержка импульсов по времени 17 и синхронизированный D-триггер 18.
4
12
16
4
На крайние входы элементов 16 поступают импульсы U и U, на выходе будут импульсы U, которые по длительности соответствуют времени совпадения по фазе тока и напряжения, с помощью элементов 17 производится задержка этих импульсов на время Δt (рис.7). Импульсы с логических элементов 17 поступают на синхронизирующий вход Т синхронизированного D-триггера 18, а на вход D подаются импульсы U, соответствующие напряжению.
1
2
Задержка по времени Δt изменяет состояние D-триггера при отставании тока, в результате на отрезке времени t…t транзистор 15 будет открыт, а на выходе дифференциального усилителя 14 будут отрицательные импульсы (рис.7).
Таблица состояния D-триггера
Отставание тока
D
Т
R
S
U<sub>17</sub>
0
0
1
1
1
1
0
1
1
1
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
При опережении тока (рис.8) на выходе D-триггера будет низкий уровень напряжения, поэтому транзистор 15 закрыт и на выходе дифференциального усилителя 14 будут положительные импульсы.
Таблица состояния D-триггера
Опережение тока
D
Т
R
S
U<sub>17</sub>
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
22
Диоды 19 на выходе усилителя 14 компенсируют постоянный низкий уровень напряжения с элемента 13, резистором 20 регулируются положительные импульсы и сравниваются по амплитуде с отрицательными. Затем импульсы поступают на усилитель 21, выполняющий также функцию линейного фильтра, с регулируемой установкой нуля резистором 22, на выходе которого будет напряжение U.
В цепях трансформаторов напряжения и тока возможны переключения (аварийный режим), и сигнал с трансформатора тока может отсутствовать, тогда на выходе усилителя 21 будет высокий уровень напряжения, что недопустимо, если устройство измерения угла фазового сдвига между напряжением и током устанавливается в системе регулирования возбуждения синхронного электродвигателя. Для исключения такого режима сигнал, пропорциональный току с усилителя 6, подается на прецизионный выпрямитель на операционных усилителях 23, 24 с усилением и фильтрацией. Напряжение с этого выпрямителя подается на вход компаратора 25, где оно сравнивается с эталонным напряжением с делителя 26. Если сигнал тока отсутствует, то за счет смещения напряжение на выходе компаратора будет положительное, и оно не будет поступать на затвор полевого транзистора 27, который откроется и зашунтирует цепь обратной связи выходного усилителя 21, напряжение на выходе будет равно нулю. Если имеется сигнал тока, то полевой транзистор 27 будет закрыт отрицательным напряжением с компаратора 25.
Данное устройство удовлетворяет всем изложенным выше требованиям. Постоянная времени выходного фильтра составляет 0,03 с (достаточно высокое быстродействие), при этом коэффициент пульсаций при рабочих стабилизируемых углах сдвига 10° не превышает 5,0%. Линейность выходных характеристик обеспечивается применением выходного операционного усилителя с повышенной нагрузочной способностью 20,0 мА и выходным сопротивлением, не превышающим 50,0 Ом.
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, совпадающие с заявленным решением, что позволяет сделать вывод о том, что изобретение имеет изобретательский уровень. Изобретение является промышленно применимым, т.к. оно может быть использовано в качестве датчика систем регулирования реактивной мощности и в электроизмерительной технике. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».
Список документов, цитированных в отчете о поиске
Поиск производился в поисковой системе www.fips.ru в областях запроса «АНАЛОГОВЫЙ ДАТЧИКА УГЛА ФАЗОВОГО СДВИГА МЕЖДУ НАПРЯЖЕНИЕМ И ТОКОМ» и «ФАЗОМЕТР».
Всего просмотрено более 150 рефератов, а также материалы открытой печати и материалы в интернете под рубрикой «Фазометр, схемы». Из них проанализированы, наиболее пригодные по тематике следующие работы:
1 Фазометр в налаживании магнитофона. Источник: Радио, №1, 1983, стр.30, автор А. Конюхов.
2 Фазометр на микросхемах. Источник: Радио, №12, 1984, стр.29, автор: А. Гончаренко
3 Электронный фазометр. Источник: Радио №5, 1990 г., стр.56 Автор: В. Бутев, г.Донецк
4 Фазометр. Граф Р. Электронные схемы: 1300 примеров: Пер. с англ. - М.: Мир,1989, стр.352.
5 Фазометр. Автор: А. Петров, г.Могилев. Дата публикации: 13.08.2004 (Интернет).
Анализ устройств в приведенных источниках
Во всех электронных схемах два синусоидальных напряжения равной частоты, между которыми определяется угол сдвига по фазе, подаются на пороговые устройства (компараторы, триггеры Шмидта). На их выходе получают однополярные прямоугольные импульсы, которые подаются на различные устройства для выделения импульсов с длительностью пропорциональной углу фазового сдвига. Такими устройствами могут быть: R-S-триггер [1], исключающее ИЛИ [2], логические элементы И-НЕ и динамический D-триггер [3], логические элементы И-НЕ и J-K-триггер [4], два двухтактных D-триггера[5].
Исключающее ИЛИ позволяет максимально использовать полезный сигнал с частотой импульсов 100,0 Гц, однако в [2] измеряется угол только одного знака.
Наиболее приемлемым для прототипа является устройство, приведенное в [3], для измерения угла фазового сдвига с изменением его знака, однако показывающий прибор подключается между выходами однополярных элементов И - НЕ, то есть на разность средних напряжений, поэтому не может использоваться в качестве датчика.
В фазометре [4] на выходе получают импульсы по длительности пропорциональные не углу фазового сдвига, а углу фазового совпадения (пересечения), а затем угол сдвига рассчитывается по формуле, что также не может использоваться в качестве датчика.
Наиболее приемлемым для аналога является устройство [5] опубликованное в интернете под рубрикой «фазометр - схемы»: ФАЗОМЕТР. Автор: А. Петров, г.Могилев. Дата публикации: 13.08.2004.