ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ В НАПРЯЖЕНИЕ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для измерения коэффициента мощности в широком диапазоне частот, для управления и контроля потоками реактивной энергии.
Известен преобразователь коэффициента мощности в напряжение [Патент Швейцарии №557033, МПК G01R 21/06, 1974 г.], содержащий два перемножителя, три фильтра низких частот, два квадратора, блок извлечения квадратного корня и делитель. Сигналы, пропорциональные току и напряжению контролируемой цепи, поступают с входных шин на входы соответствующих квадраторов и на входы первого перемножителя, к выходу которого подключен вход первого фильтра низких частот, выход которого соединен с первым входом делителя, выходы квадраторов подключены соответственно к входам второго и третьего фильтра низких частот, выходы которых подключены к входам второго перемножителя, выход которого соединен с входом блока извлечения корня, выход блока извлечения корня соединен со вторым входом делителя, выход которого является выходом устройства.
Недостатком известного преобразователя является его сложность и низкая надежность вследствие наличия в его составе большого количества сложных вычислительных блоков. Кроме того, известный преобразователь обладает низким быстродействием из-за наличия в нем нескольких фильтров низких частот.
Наиболее близким аналогом к предлагаемой полезной модели является преобразователь коэффициента мощности в напряжение [Авторское свидетельство СССР №1120249, МПК G01R 21/06, опубл. 23.10.1984 г.], содержащий перемножитель, к выходу которого подключены последовательно соединенные фильтр низких частот и усилитель, а также последовательно соединенные полосовой фильтр и преобразователь переменного напряжения в постоянное, выход которого подключен к первому входу первого сумматора. Выход усилителя подключен к первому входу второго сумматора. Ко вторым входам сумматоров подключены соответственно входные шины, сигналы на которых пропорциональны току и напряжению исследуемой цепи.
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 коэффициента мощности в напряжение, содержащий первую и вторую входные шины, сигналы на которых пропорциональны соответственно напряжению и току исследуемой цепи, усилитель и преобразователь переменного напряжения в постоянное, дополнительно введены амплитудный детектор, блок деления, дифференциатор, детектор нулевого уровня и блок выборки и хранения, причем первая входная шина через дифференциатор и детектор нулевого уровня соединена с управляющим входом блока выборки и хранения, выход которого является выходом преобразователя коэффициента мощности в напряжение, вторая входная шина соединена с первым входом блока деления и входом амплитудного детектора, выход которого соединен со вторым входом блока деления, выход которого через усилитель соединен с входом преобразователя переменного напряжения в постоянное, выход которого соединен с входом блока выборки и хранения.
Существенными отличиями предлагаемого преобразователя являются введение амплитудного детектора, блока деления, дифференциатора, детектора нулевого уровня и блока выборки и хранения, 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
вых
Сущность полезной модели поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена функциональная схема преобразователь коэффициента мощности в напряжение, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений u, u, u, u-u и u.
Преобразователь (фиг. 1) содержит входные шины 1 и 2, сигналы на которых пропорциональны соответственно напряжению и току исследуемой цепи, амплитудный детектор 3, блок деления 4, усилитель 5, преобразователь переменного напряжения в постоянное 6, дифференциатор 7, детектор нулевого уровня 8 и блок выборки и хранения 9.
Преобразователь работает следующим образом.
На входных шинах 1 и 2 формируются напряжения, пропорциональные соответственно напряжению и току исследуемой цепи:
где ω=2πf - круговая частота напряжения сети;
ϕ - угол сдвига фаз между напряжением и током исследуемой цепи (фиг. 2).
i
mi
2
Напряжение u подается на вход амплитудного детектора 3 и на первый вход блока деления 4, на второй вход которого подается амплитуда напряжения U, выделяемое амплитудным детектором 3. В результате на его выходе формируется напряжение u с единичной амплитудой:
3
Это напряжение усиливается усилителем 5 и на его выходе формируется напряжение u амплитудой 10 В. Усилитель 5 необходим для того, чтобы не происходила потеря точности преобразователя в результате последующего выпрямления сигнала преобразователем переменного напряжения в постоянное 6. После двухполупериодного выпрямления на выходе преобразователя переменного напряжения в постоянное 6 формируется напряжение Us амплитудой 10 В и подается на вход блока выборки и хранения 9 (фиг. 2).
u
1
u
Одновременно напряжение u подается на вход дифференциатора 7 и на его выходе формируется напряжение u, сдвинутое по фазе на 90° относительно u в сторону опережения (фиг. 2):
1
4
u
Напряжение u подается на вход детектора нулевого уровня 8, на выходе которого формируются узкие импульсы напряжения u в моменты перехода сетевого напряжения u через ноль (фиг. 2). Эти импульсы подаются на управляющий вход блока выборки и хранения 9.
5
5
В блоке выборки и хранения 9 происходит выборка уровня напряжения u в моменты прихода импульсов напряжения u на его управляющий вход, т.е. соответствующие углу α (фиг. 2).
где k - коэффициент пропорциональности, равный коэффициенту усиления усилителя 5.
вых
В результате на выходе преобразователя формируется постоянное напряжение u, пропорциональное коэффициенту мощности cos ϕ исследуемой цепи. При этом быстродействие предлагаемого преобразователя более чем в три раза выше, чем у прототипа.
Таким образом, применение в преобразователе амплитудного детектора, блока деления, дифференциатора, детектора нулевого уровня и блока выборки и хранения позволяет добиться требуемого технического результата - повышение быстродействия преобразователя.
При практической реализации предлагаемого преобразователя амплитудный детектор 3 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). Блок деления 4 можно выполнить на операционном усилителе (ОУ), включив перемножитель на микросхеме К525ПС3 в цепь его отрицательной обратной связи. Усилитель 5 представляет собой обычный не-инвертирующий усилитель на ОУ. Преобразователь переменного напряжения в постоянное 6 представляет собой активный двухполупериодный выпрямитель на ОУ [А.Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: БИНОМ, 1994, стр. 315, рис. 11.37). Дифференциатор 7 можно выполнить по известной схеме на ОУ с времязадающей RC-цепью. Детектора нулевого уровня 8 можно выполнить по схеме [Авторское свидетельство СССР №1330741, МПК H03K 5/153. Детектор перехода сигнала через ноль, опубл. 15.08.1987 г.]. В качестве блока выборки и хранения 9 можно использовать микросхему 1100СК2.