Измерительный преобразователь сигналов переменного напряжения или тока

 

Использование: в качестве входного нормирующего устройства, обеспечивающего гальваническое отделение измерительных цепей преобразователей электрических величин промышленной электросети от контролируемых цепей энергообьектов. Сущность изобретения: преобразователь содержит калиброванный резистор I. который шунтируется в случае контроля входного тока перемычкой 8, трансформатор 2 тока с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, преобразователь 5 Холла, операционный усилитель 6, резистор 7 обратной связи и источник 9 образцового тока. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я) G 01 R 19/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ вЂ”

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4825764/21 (22) 15.05.90 (46) 07,11.92. Бюл. ¹ 41 (71) Львовский политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) В.M.Bàíüêî и О.И.Чайковский (56) Лаппе P.,Ôèøåð Ф. Измерения в энергетической электронике, Пер. с нем. M.:

Энергоатомиздат, 1986, с. 138, рис. 7.11.

Авторское свидетельство СССР

N1499244,,кл,,G 01 R 19/00, 1987, (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ИЛИ ТОКА!

Ж 1774276 А1 (57) Использование; в качестве входного нормирующего устройства, обеспечивающего гальваническое отделение измерительных цепей преобразователей электрических величин промышленной электросети от контролируемых цепей энергообъектов.

Сущность изобретения: преобразователь содержит калиброванный резистор 1, который шунтируется в случае контроля входного тока перемычкой 8, трансформатор 2 така с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, преобразователь 5 Холла, операционный усилитель 6, резистор 7 обратной связи и источник 9 образцового тока. 4 ил.

1774276

Изобретение относи,".:.=i .:(информационна-измерительной технике и может быть использовано в качестве входного нармирующега устройства, абеспе ивающега гальваническое отделение измерительных цепей преобразователей электрических величин промышленной электросети (переменные напрл>кения и так, активная и реактивнал мощность, т.п.) от контролируемых цепей энергоабьектав.

Известен иль;:;-. рительный преобразователь сигналов геа;-:": =-..,нага напряжения или тока, содер>кагций калиброванный резистор, трансфарматар така с перви най, вторичной и индикаторной обмотками, усилитель напрчженил и резистор обратной связи (см. Лейтман М,Б, Нармирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. — M.: Знергаатамиздат, 1986, с. 27, рис. 2,2 а).

Недостатком известного измерительного преобразователя лвллетсл низкая точность преобразования контролируемых сигналов вследствие сужения динамическог го диапазона ус.шнтелл напряжения, а также из-за огранил=!- . ял усиления последнего, вызываемого ухудшением устойчивости схемы в целом.

Наиболее близким па технической сущности к изабретени а явллетсл измерительный преобразователь сигналов переменнага напряжения или така, содержащий калиброванный резистор 1, трансформатор

2 тока с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, преобразователь 5 Холла, усилитель 6 напрлженил, резистор 7 обратной связи, перемычку 8, шунтиру,ащую последний в случае измерения в.;одного така, и источник 9 образцового тако,см, фи, 4 и Лаппе Р., Фишер Ф. Измааенил в энергетической электронике: Пер, с нем, — Ч.: Знергаатомиэдат, 1986, с, 138, рис. 7.111.

На фиг, 3 представлена эквивалентная схема прототипа, где Rr u Hoc — калиброванный резистор 1 и резистор 7 обратной свяЗИ, 21= Г1+ jXp1; 72 = Гз+!Xr 2; Yc — УСИЛИТЕЛЬ

6 напряжения, г, г2 и Хл, Xp2 — активные и реактивные сапаативления рассеивания первичной 3 и вторичной 4 абмотак трансформатора 2 тока; Zc — эквивалентное полное сопротивление потерь намагничивающего контура сердечника трансформатора 2 тока; Dx — преабразoìòeë!1! 5 Холла;

Zsx — полное входное сопротивление усилителя 6. При этом цепь перви най обмотки 3 приведена к вторичной обматKp.4трансформатора 2 тока.

Входной ток I>, протекал па первичной обмотке 3 трансформатора 2 тока, создает

° 1

I1 = I2+ Ic. где Ic — намагничивающий ток.

Используя законы Кирхгофа, получим

Uc, Ic = —

2 + 1 oc (2) (3) причем Uyc — выходное напряжение Ус, а

Uc — падение напряжения Hà Z .

Для преобразователя Холла DX можно записать б

Ок= Кн В!о. (4) 4р ПосколькУ В ЯвлЯетсЯ фУнкцией lc, то ф б

Он= К Ic (5) Подставляя уравнение (5) в выражени

45 (2), получим ус с — (6) причем гн — внутреннее выходное сап ротив5р ление Холла, а вместо Uyc — выражение иэ (3):

22 + 1 ос

1с !2 у-р — + ц > . (7) Используя последнее выражение со вместно с (1), имеем

В

° 2

Т+5, (8) магнитный поток Ф1, воздействующий на преобразователь 5 Холла. Это приводит к возникновению на входе усилителя 6 напряжения, пропорционального произведению

5 образцового тока 4 и магнитной индукции, зависящей от Ф1. При этом эа счет большого усиления Ус через вторичную обмотку 4 протекает соответствующее значение тока 4, формируемого Ус, что приводит к

10 возникновению магнитного потока Ф2, компенсирующего Ф1. Достижение нулевого результирующего магнитного потока в сердечнике трансформатора 2 тока характеризуется нулевым выходным напряжением

15 ОХ 5.

Однако при конечном коэффициенте

УСИЛЕНИЯ Кус ПОТОКИ Ф1 И Ф2 НЕ РаВНЫ, Чта приводит к появлению амплитудной + и угловой д2 погрешностей прототипа.

Согласно фиг. 3 и 4

1774276

° Z2 + Roc

2,.(1+ К„,) (9) Таким образом, погрешности прототипа определяются выражениями 5

4 = !qq! cos (а+ р — p<) (10)

» . = -0,5! 6q — eiq з и (a + p — pq) 10 причем а, р и p> — соответственно угол между векторами и результирующего магнитного потока в сердечнике трансформаторов 2 тока, аргумент вектора (Zz + R«) и аргумент вектора (Kyc + 1), 15

При работе прототипа с входным напряжением 0 перемычка 8 размыкается. Тогда

li создается напряжением 0, а в остальном известное устройство работает аналогично, как описано выше. 20

Из выражения (9) видно, что значения дг и у определяются в значительной мере значением Kyc .

Обеспечение большого коэффициента передачи Ус приводит к возникновению 25 большого постоянного напряжения сдвига на выходе, что вызывает сужение динамического диапазона выходного сигнала. При этом, если ввести разделительный конденсатор, чтобы отделить постоянную состав- 30 ляющую, то нарушается устойчивость схемы, аналогично как в известной схеме, описанной в книге M.Á.Ëåéòìàíà (рис. 2.2а, с. 32-33).

Кроме того, большой коэффициент уси- 35 ления Ус ухудшает помехозащищенность и устойчивость схемы, Следовательно, недостатком прототипа является низкая точность преобразования контролируемого ".игнала, обусловленная 40 конечным значением коэффициента усиления Ус.

Цель изобретения — повышение точности преобразования.

Цель достигается тем, что в измеритель- 45 ном преобразователе сигналов переменного напряжения или тока, содержащем калиброванный резистор, который шунтируется в случае контроля входного тока, трансформатор тока с первичной и вторич- 50 ной обмотками, преобразователь Холла, операционный усилитель, резистор обратной связи и источник образцового тока, причем последовательно соединенные калиброванныйый резистор и первичная обмот- 55 ка трансформатора тока подключены к входным зажимам преобразователя, а начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено через резистор обратной связи с земляной шиной и выходным эажимом преобразователя, источник образцового тока подключен к входным зажимам преобразователя Холла, операционный усилитель включен по схеме повторителя напряжения, между входом и выходом которого подключены выходные зажимы преобразователя Холла, а конец вторичной обмотки трансформатора тока соединен с входом повторителя напряжения.

Новые элементы в заявляемом устройстве по сравнению с прототипом отсутствуют. Решений с подобным сочетанием известных элементов не обнаружено, СуЩественность отличий решения заключается в том, что полученная новая взаимосвязь известных элементов преобразователя позволила увеличить точность преобразования контролируемых сигналов в 9 раз. Это, в свою очередь, приводит к экономии электроэнергии за счет более точного учета ее при использовании предлагаемого преобразователя в составе информационно-измерительной системы контроля электрических величин промышленной электросети. Таким образом, решение обладает. новизной и соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого измерительного преобразователя сигналов переменного напряжения или тока; на фиг. 2 — его s a eHTH t:xeM ; на фиг. 3 — эквивалентная схема прототипа; на фиг. 4 — схема прототипа, Измерительный преобразователь сигналов переменного напряжения или тока содержит калиброванный резистор 1, который шунтируется в случае контроля входного тока перемычкой 8, трансформатор 2 тока с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, преобразователь 5 Холла, операционный усилитель 6, резистор 7 обратной связи и источник 9 образцового тока.

Последовательно соединенные калиброванный резистор 1 и первичная обмотка

3 трансформатора 2 тока подключены к входным зажимам преобразователя, Начало вторичной обмотки 4 трансформатора 2 тока соединено через резистор 7 обратной связи с земляной шиной и выходным зажимом преобразователя. Источник 9 образцового тока подключен к входным зажимам преобразователя 5 Холла. Операционный усилитель 6 включен по схеме повторителя напряжения, между входом и выходом которого подключены выходные зажимы преобразователя 5 Холла. Конец вторичной обмотки 4 трансформатора 2 тока соединен с входом повторителя напряжения.

В конкретном реализованном преобразователе в качестве преобразователя 5 Хол1774276

U8XllH

lax = — —: (12) (13) (14) (I UexnH l2 (Z2 + R) (15) ла и усилителя 6 могут быть использованы соответственно преобразователь Холла типа Х511 (см. Брайко В.В.. Гринберг И.П. и др. Гальваномагнитные преобразователи в измерительной технике, — M.: Энергоатомиздат, 1984, с. 252) и микросхема

К153УД5А (см. Щербаков В.И., Грездов Г.И, Справочник, Электронные схемы на операционных усилителях, — К,: Техника, 1983, с.

6). Источник 9 образцового тока может быть построен с использованием последовательно соединенных источника опорного напряжения и схемы управляемого источника тока (см. книгу Щербаков В,И., Грездов Г.И, рис. 7.8 б и рис. 7.9а, с. 130-131).

При работе по входу с переменным током (перемычка 8 закорачивает резистор 1) предлагаемый измерительный преобразователь работает следующим образом.

Магнитный поток Ф1, созданный входным током 11 воздействует на вторичную обмотку 4 трансформатора 2 тока и преобразователь 5 Холла, что приводит к появлению падений напряжений на них, Из-за действия отрицательной обратной связи повторитель напряжения обеспечивает соответствующее значение выходного тока с тем, чтобы привести падение напряжения на выходе преобразователя 5 Холла к нулю. При этом магнитны11 поток Ф2, возникающий благодаря току I2 через вторичную обмотку 4 трансформатора 2 тока, скомпенсирует Ф1, Таким образом, согласно эквивалентной схем,е (фиг. 2)

I1 = I2+ Ic+ IH+ )вх (1 1)

Используя закон Кирнгофа для контуров, получим

Подставляя уравнения (12)...(15) в выражение (11}, имеем

I2

5 1-.-@, (16) где e((=((.2(R) () + (17)

),(н! 1Zc) Хх (Выражения для угловой ä1 и амплитудной р1 погрешностей предлагаемого преобразователя аналогичны выражениям (10) для прототипа.

Если принять IZ2+Rl = 500 Ом; IZ I =

1000 Ом; I Kgc = 1000 I ZBx I = 5 10 Ом;

IK()HI = 0,9999; гн = 10 Ом, то, сравнивая

IEl2I и I Et1I, вычисленные поуравнениям(9) и (17), получим

20 2 9,09.

)с)1

Таким образом, точность преобразования контролируемых сигналов предлагаемым устройством примерно в 9 раз выше, 25 чем у прототипа.

Вышеизложенные рассуждения справедливы при работе предлагаемого измерительного преобразователя по входу с переменным напряжением.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь сигналов переменного напряжения или тока, содержащий калиброванный резистор, ко35 тарый шунтируется в случае контроля тока, трансформатор тока, повторитель напряжения, резистор обратной связи, причем последовательно соединенные калиброванный резистор и первичная обмотка транс40 форматора тока подключены к входным зажимам преобразователя, начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено с выходным зажимом преобразователя и через резистор обратной связи с земляной

45 шиной, конец вторичной обмотки трансформатора соединен с входом повторителя напряжения, отличающийся тем,что,с целью повышения точности преобразования, введен элемент Холла, выходные зажи50 мы которого подключены к входу и Выходу повторителя напряжения.

1774276

4r

Составитель В. Ванько

Техред М.Моргентал Корректор Н. Король

Редактор С. Кулакоьа

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3924 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5