УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГА ФАЗ МЕЖДУ ДВУМЯ СИНУСОИДАЛЬНЫМИ СИГНАЛАМИ

Полезная модель относится к области систем обработки информации и измерительной техники, и может быть использована для определения фазового сдвига между синусоидальными сигналами одинаковой частоты в цепях переменного тока при диагностике работоспособности электротехнических и электромеханических систем и устройств.
Задачей полезной модели является создание устройства, позволяющего измерять значение фазового сдвига между синусоидальными сигналами одинаковой частоты в цепях переменного тока не обязательно одной цепи и не обязательно одного устройства.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения значения фазового сдвига между синусоидальными сигналами в цепях переменного тока, согласно полезной модели, содержит первое и второе устройства выборки и хранения, входы которых подключены к входным шинам. При этом выход первого устройства выборки-хранения подключен к входу третьего устройства выборки-хранения и к входу первого сумматора, а выход второго устройства выборки-хранения подключен к входу четвертого устройства выборки-хранения и к входу второго сумматора. Кроме того, выход третьего устройства выборки-хранения подключен к входу инвертора, выход которого соединен с входом первого сумматора. Выход четвертого устройства выборки-хранения подключен к
входу второго сумматора. Выходы первого и второго сумматоров связаны с входами перемножителя, выход которого соединен с входом перемножителя-делителя. А выходы такового генератора подключены ко входам первого, второго, третьего и четвертого устройства выборки-хранения. Входы первого и второго выпрямителей подключены к входным шинам, а их выходы к входам первого и второго фильтров низких частот, выходы которых подключены к входам пермножителя-делителя.
Известна теорема Телледжена о квазимощности между любыми двумя синусоидальными сигналами, которые необязательно существуют в цепи одно и то же время и необязательно связаны одной зоной цепи [П.Пенфилд и др. Энергетическая теория электрических цепей / П.Пенфилд, Р.Спенс, С.Дюинкер. - М.: Энергия, 1974. - 152 с.] Также известно, что реактивная мощность может быть определена двояко:
1) по известной формуле
-Q=А·В<sup>sin</sup>φ<sub>ab</sub>
(1)
где А и В - действующие значения сигналов a(t) и b(t).
2) по методике О.А. Маевского [Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. - М.: Энергия, 1978. - 320 с.]
ВАХ
где F- площадь вольт-амперной характеристики для исследуемых сигналов, найденная в данном случае по формуле для определения площади многоугольника, заданного координатами концов отрезков [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся Втузов. - М.: Наука, 1980. - 976 с.]
Подставив формулу (3) в формулу (2) получим формулу для вычисления реактивной квазимощности по Маевскому
ab
Авторами экспериментально установлено, что выражения (2) и (4) вполне справедливы и работоспособны, тогда, приравняв правые части формул (2) и (4), можно найти sinφ, как
Устройство определения сдвига фаз обладает рядом преимуществ; в частности нет необходимости отфильтровывать сигналы от постоянной составляющей и сдвигать сигналы по фазе на угол 90 градусов.
Относительная погрешность при определении сдвига фаз в среднем составляет 0,77%.
Устройство (фиг.1), включает в себя первое устройство выборки-хранения 1 (УВХ 1), второе устройство выборки-хранения 2 (УВХ 2), третье устройство выборки-хранения 3 (УВХ 3), четвертое устройство выборки-хранения 4 (УВХ 4), инвертор 5, первый сумматор 6 (Сумматор 1), второй сумматор 7 (Сумматор 2), перемножитель 8 (Перемножитель), интегратор 9 (Интегратор), перемножитель-делитель 10 (Перемножитель-делитель), тактовый генератор 11 (ТГ), первый выпрямитель 12 (Выпрямитель 1), второй выпрямитель 13 (Выпрямитель 2), первый фильтр низких частот 14 (ФНЧ 1), второй фильтр низких частот 15 (ФНЧ 2).
Входные шины устройства подключены ко входам устройств выборки-хранения: первого 1 (УВХ 1) и второго 2 (УВХ 2), а выходы которых -к входам третьего 3 (УВХ 3), четвертого 4 (УВХ 4) устройств выборки-хранения и к входам первого 6 (Сумматор 1) и второго 7 (Сумматор 2) сумматоров. Вход третьего устройства выборки-хранения 3 (УВХ 3) подключен к входу инвертора 5 (Инвертор), выход которого соединен с входом первого сумматора 6 (Сумматор 1). Выход четвертого устройства выборки-хранения 4 (УВХ 4) подключен к входу второго сумматора 7 (Сумматор 2). Выходы первого 6 (Сумматор 1) и второго 7 (Сумматор 2) сумматоров связаны с входами перемножителя 8 (Перемножитель), выход которого соединен с входом интегратора 9
(Инвертор). Выход интегратора 9 (Инвертор) связан с входом перемножителя-делителя 10 (Перемножитель-делитель). Выходы тактового генератора 11 (ТГ) связаны со входами управления первого 1 (УВХ 1), второго 2 (УВХ 2), третьего 3 (УВХ 3) и четвертого 4 (УВХ 4) устройств выборки-хранения. Входы первого 12 (Выпрямитель 1) и второго 13 (Выпрямитель 2) выпрямителей подключены к входным шинам, а их выходы к входам первого 14 (ФНЧ 1) и второго 15 (ФНЧ 2) фильтров низких частот. Выходы первого 14 (ФНЧ 1) и второго 15 (ФНЧ 2) фильтров низких частот подключены к множительным входам перемножителя-делителя 10 (Перемножитель-делитель).
Первое 1, второе 2, третье 3 и четвертое 4 устройства выборки-хранения могут быть реализованы на микросхемах 1100СК2. Инвертор 5 может быть реализован на микросхеме 140УД17А. Первый 6 второй 7, сумматоры могут быть реализованы на операционных усилителях 140УД17А. В качестве перемножителя 8 и перемножителя-делителя 10 может быть использована микросхема 525ПСЗ. Интегратор 9 может быть реализован на операционном усилителе 140УД17А. Тактовый генератор 11 может быть реализован на микроконтроллере АТ80С2051. Выпрямители 12 и 13, а также фильтры низких частот 14 и 15 могут быть выполнены операционных усилителях 140УД17А.
Устройство работает следующим образом. На вход первого УВХ 1 поступает сигнал пропорциональный первому синусоидальному сигналу
a(tj), а на вход второго УВХ 2 сигнал пропорциональный второму синусоидальному сигналу b(tj), В эти блоки записываются и хранятся текущие значение a(tj) и b(tj), которые по следующему сигналу переписываются в блоки 3, 4 и становятся предыдущими значениями. На выходе сумматора 6 получается сигнал равный разности текущего и предыдущего значений сигнала a(tj), а на выходе 7 сумма текущего и предыдущего значений сигнала b(t,). В блоке 8 эти сигналы перемножаются и подаются на интегратор 9, на выходе которого получается сигнал пропорциональный реактивной квазимощности , который поступает на вход перемножителя-делителя 10. В тоже время входные сигналы поступают на выпрямители 12 и 13, на выходе которых получаются выпрямленные сигналы |а(t)| и |b(t)|, которые подаются на
входы фильтров низких частот 14 и 15. На выходе фильтров низких частот 14 и 15 получаются сигналы равные действующим значениям (А и В) сигналов a(tj) и b(t,), которые подаются на входы перемножителя-делителя 10. На выходе блока 10 получается значение пропорциональное сдвигу фаз между входными сигналами .
Полезная модель позволяет измерять значение сдвига фаз между двумя синусоидальными сигналами.