Измерительный преобразователь активной мощности

Измерительный преобразователь активной мощности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и позволяет осуществить преобразование активной мощности переменного тока в трехфазныхи однофазных цепях в пропорциональный аналоговый сигнал - постоянный ток или постоянное напряжение. Целью изобретения является повышение точности. Цель достигается введением третьего измерительного элемента, второго суммиУстройство относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения активной мощности в трехфазных цепях. Цель изобретения - повышение точности измерительного преобразователя активгной мощности. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема . рующего инвертирующего усилителя постоянного тока и масштабного резистора, а также выполнением источника и опорных напряжений двуполярным и образованием новых связей. В измерительных элементах входные напряжения преобразуются в высокочастотные прямоугольные импульсы постоянной длительности, модулируемые входными напряжениями по частоте, которые передаются через блоки гальванического разделения импульсных сигналов. Эти импульсы.управляют работой перекидных ключей коммутирующих выходные токи преобразователей входных токов устройства. Выходные токи ключей суммируются двумя суммирующими инвертирующими усилителями постоянного тока; из результирующего суммарного тока выходной фильтр постоянной составляющей выделяет постоянную составляющую, пропорциональную измеряемой активной мощности. Устройство также содержит резистивные сумматоры, интеграторы, компараторы и одновибраторы, амплитудные модуляторы В описании изобретения приведены схемы построения блоков устройства. 1 с. и 6 з.п ф-лы. 2 ил. Устройство содержит (фиг. 1) измерительные элементы 1-3, источник 4 опорных напряжений, первый и второй суммирующие инвертирующие усилители 5. 6, постоянного тока, выходной фильтр 7 постоянной составляющей, масштабный резистор 8. Первые входы первого - третьего измерительных элементов 1-3 соединены с соответствующими фазными напряжениями, их объединенные вторые входы - с первым выходом источника 4 опорных напряжений. (Л С ON СЛ Ю 00 О О

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л G 01 R 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Г

tд .:.т : p, 1

1 I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

° - (2 |) 4660111/21 (22) 07.03.89 (46)30.06.91. Бюл. ¹ 24 (71) Смоленский филиал Московского энергетического института и Витебское производственное объединение "Электроизмеритель" (72) M.B. Лейтман, P.È. Агрест и А.И. Дибер (53) 621.317.37(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹789844,,кл. G 01 R 21/00,-1979.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1004903, кл. G 01 R 21/00, 1981. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ (57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике и позволяет осуществить преобразование активной мощности переменного тока в трехфазных и однофазных цепях в пропорциональный аналоговый сигнал — постоянный ток или постоянное напряжение. Целью изобретения является повышение точности, Цель достигается введением третьего измерительного элемента, второго суммиУстройство относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения активной мощности в трехфазных цепях.

Цель изобретения — повышение точности измерительного преобразователя активной мощности.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства; на фиг. 2 — функциональная схема.... Ж,, 1659890 А1 рующего инвертирующего усилителя постоянного тока и масштабного резистора. а также выполнением источника и опорных напряжений двуполярным и образованием новых связей, В измерительных элементах входные напряжения преобразуются в высокочастотные прямоугольные импульсы постоянной длительности, модулируемые входными напряжениями по частоте, которые передаются через блоки гальванического разделения импульсных сигналов. Эти импульсы.управляют работой перекидных ключей коммутирующих выходные токи преобразователей входных токов устройства, Выходные токи ключей суммируются двумя суммирующими инвертирующими усилителями постоянного тока; из результирующего суммарного тока выходной фильтр постоянной составляющей выделяет постоянную составляющую, пропорциональную измеряемой активной мощности, Устройство также содержит резистивн ые сумматоры, интеграторы, компараторы и одновибраторы, амплитудные модуляторы. B описании изобретения приведены схемы построения блоков устройства. 1 с. и 6 з.л. ф-лы, 2 ил, (.) с

Устройство содержит (фиг. 1) измерительные элементы 1 — 3, источник 4 опорных напряжений, первый и второй суммирующие инвертирующие усилители 5, 6. постоянного тока, выходной фильтр 7 постоянной составляющей, масштабный резистор 8.

Первые входы первого — третьего измерительных элементов 1 — 3 соединены с соответствующими фазными напряжениями, их объединенные вторые входы — с первым выходом источника 4 опорных напряжений, 1659890 подключенного вторым выходом к четвертым входам измерительных элементов 1 — 3.

Третьи входы измерительных элементов 1-3 соединены с датчиками тока соответствующих фаз. Объединенные первые выходы измерительных элементов 1-3 подКлючены к входу первого суммирующего инвертирующего усилителя 5 постоянного тока, выходом подключенного к входу выМодного фильтра 7 постоянной составляющей. Вторые выходы измерительных элементов 1-3 подключены к входу первого или второго суммирующих интегрирующих усилителей 5, 6 постоянного тока, Третьи выходы измерительных элементов 1-3 соединены с входом второго суммирующего инвертирующего усилителя 6 постоянного тока, выход которого через масштабный резистор 8 соединен с входом первого суммирующего интегрирующего усилителя 5 постоянного ТоКВ. В состав каждого из измерительных элементов входят интегратор

9 (10) постоянного тока, компаратор 11 (12, 13), одновибратор 14 (15, 16), амплитудный модулятор 17 (18, 19), блок 20 (21, 22) гальванического разделения импульсных сигналов, преобразователь 23 (24, 25) тока, перекидной ключ 26 (27, 28) и компенсирующий резистор 29 (30, 31), резистивный сумматор 32 (33, 34), интегратор 35 постоянного тока.

Компаратор 11 (12, 1:3) и одновибратор

14 (15, 16) каждого измерительного элемента объединены в одну схему (фиг, 2), содержащую RS-триггер 36 (37, 38), RC-цепь 39 (40, 41) интегрирующего типа и разрядный ключ 42 (43, 44). Блок 20 (21, 22) гальванического разделения импульсных сигналов каждого измерительного элемента содержит логический инвертор 45 (46, 47), ограничительный резистор 48 (49, 50). трехобмоточный дифферен цирующий трансформатор 51 (52, 53) с первичной обмоткой 54 (55, 56) и двумя вторичными 57 (58, 59) и 60 (61, 62), два диода 63, 64 (65-68) и выходной RS-триггер 69 (70, 71).

В преобразователь 23 (24, 25) тока каждого измерительного элемента входят трехобмоточный трансформатор 72 (73, 74) с первичной обмоткой 75 (76, 77). обмоткой 78 (79, 80) обратной связи и выходной обмоткой 81 (82, 83), усилитель 84 (85, 86) переменного тока и нагрузочный резистор 87(88,89).

B каждый из двух суммирущих инвертирующих усилителей 5, 6 постоянного тока входят операционный усилитель 90 (91), резистор 92 (93) обратной связи и по два фильтрующих конденсатора 94, 95 (96, 97).

Источник опорных напряжений состоит из параметрического стабилизатора 98 по50 усилителя постоянного тока

К единичному выходу RS-триггера 36 (фиг. 2), входящего в состав одновибратора

14 и компаратора 11, подключена RS-цепь

39 интегрирующего типа, выход которой соединен с входом R триггера. Вход S триггера соединен с выходом интегратора 35 постоянного тока. Параллельно конденсатору RCцепи включен разрядный ключ 42, управляющий вход которого подключен таким образом, чтобы при единичном состоя5

45 стоянного тока и инвертирующего повторителя 99 постоянного напряжения.

Все три измерительных элемента идентичны. поэтому рассмотрим один из них,например первый, Первый вход резистивного сумматора 32 (фиг. 1) подключен к фазе А, второй вход — к первому выходу источника 4 опорных напряжений, общий вывод которого соединен с нулевой фазой, третий — к выходу амплитудного модулятора 17. Выход резистивного сумматора 32 соединен с входом интегратора 35 постоянного тока, к выходу которого подключен вход компаратора

11. Выход компаратора 11 соединен с входом одновибратора 14, выход которого соединен с управляющим входом амплитудного модулятора 17. Сигнальный вход амплитудного модулятора подключен к второму выходу источника разнополярных опорных постоянных напряжений. Вход блока 20 гальванического разделения импульсных сигналов подключен к выходу одновибратора 14.

К входу преобразователя 23 подводится ток, нагружающий фазу А, выход преобраэователя тока соединен с подвижным контактом перекидного ключа 26, управляющий вход которого подключен к выходу блока 20 гальванического разделения импульсных сигналов.

Первый неподвижный контакт ключа 26 соединен с входом первого суммирующего инвертирующего усилителя 5 постоянного тока, к выходу которого подключен вход выходного фильтра 7 постоянной составляющей, на выходе которого образуется выходной сигнал устройства — постоянный ток t»< или постоянное напряжение Овых

Между преобразователем 23 vi входом одного из суммирующих инвертирующих усилителей 5 или 6 (в зависимости от параметров схемы) включен компенсирующий резистор

29.

Второй неподвижный контакт перекидного ключа 26 соединен с входом второго суммирующего инвертирующего усилителя

6 постоянного тока, выход которого через масштабный резистор 8 соединен с входом первого суммирующего инвертирующего

1659890

15

25

55 нии триггера ключ был разомкнут. Если замыкание ключа осуществляется сигналом

"1", управляющии вход необходимо подключить к выходу 0 РЯ-триггера, э в случае его отсутствия — к выходу логического инвертора 45, подключенного к единичному выходу триггера.

Амплитудный модулятор 17 содержит два элемента КМОП логического повторителя напряжения (преобразователя уровня), параллельно объединенных по входам и выходам. Вход питания повторителя напряжения, представляющий сигнальный вход амплитудного модулятора, подключен к второму (положительному) выходу источника разнополярных опорных постоянных напряжений, общая точка повторителя напряжения соединена с общим выводом источника. Параллельно объединенные входы обоих элементов образуют управляющий вход амплитудного модулятора, а параллельно объединенные выходы образуют его выход. Поскольку КМОП повторитель напряжения содержит шесть идентичных элементов, четыре оставшихся элемента, объединенные попарно параллельно, образуют амплитудные модуляторы 18 и 19 второго и третьего измерительных элементов.

Сигнальные входы этих модуляторов, так же, как и у амплитудного модулятора 17, представляют собой единственный вход питания КМОП повторителя напряжения и на фиг. 2 не показаны. Точно так же не показана и общая точка у амплитудных модуляторов 18, 19, соединенная с общей точкой модулятора 17 внутри повторителя напряжения.

Согласующий блок 20 гальванического разделения импульсных сигналов состоит из двух последовательно соединенных логических инверторов, между выходами которых последовательно с ограничительным резистором 48 включена первичная обмотка 54дифференцирующего трансформатора

51. Встречно включенные две вторичные обмотки 57 и 60 одним концом соединяются друг с другом и с общей точкой выходной части схемы, к их вторым концам подключены аноды диодов 63 и 64. Катоды диодов соединяются со входами S u R выходного

RS-триггера 69.

Первичная обмотка 75 трансформатора

72, входящего в состав преобразователя 23, включена последовательно в цепь тока А, нагружающего фазу А. Выходная обмотка

81 трансформатора подключена к входу усилителя 84, выход которого соединен с компенсирующим резистором 29 и с обмоткой

78 обратной связи, с вторым концом которой соединен нагрузочный резистор 87.

Второй конец резистора соединен с подвижным контактом перекидного ключа 26.

Резистор 92 (93) обратной связи, входящий в состав каждого из двух суммирующих инвертирующих усилителей 5, 6 постоянного тока включен между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя

90 (91). Параллельно резистору 92 (93) включен фильтру ющий конденсатор 95 (97), фил ьтрующий конденсатор 94 (96) включен между входами операционного усилителя.

Источник 4 разнополярных опорных постоянных напряжений состоит из параметрического стабилизатора 98 и подключенного к его выходу инвертирующего повторителя 99 постоянного напряжения. Первый выход источника (отрицэтельный) является выходом инвертирующего повторителя 99, второй (положительный) — выходом параметрического стабилизатора 98.

На фиг. 1, 2 обозначены фазы А, В, С и нулевая фаза 0 трехфазной цепи; фазные напряжения UA, 0в, Uc, фэзные токи IA, IB, IC, ВЫХОДНЫЕ НаПРЯжЕНИЯ Uon1 И Uon2 СНИмаемые соответственно с первого и второго выходов источника разнополярных опорных постоянных напряжений; R1, R2, Язв сопротивления резисторов, входящих в состав резистивного сумматора 32 и подклюценных к его первому — третьему входам, соответственно (точно таким же являются сопротивления соответствующих резисторов сумматоров 33 и 34), IR1, IR2, 1кз — протекающие по этим резисторам токи, 4 и u>— входной ток и выходное напряжение интеграторов 35 постоянного тока, С1 — емкость конденсатора в цепи обратной связи интегратора 35 (точно такими же являются емкости конденсаторов в цепи обратной связи интеграторов 9 и 10), R4 — сопротивление резистора 93 обратной связи (фиг. 2) второго суммирующего ин вертирующего усилителя 6 постоянного тока, R5 — сопротивление масштабного резистора 8, IR5 — ток, протекающий через масштабный резистор 8. IA>— выходной ток преобразователя 23 тока, IA1 и iA1 — токи, протекающие через первый и второй неподвижный контакты соответственно ключа 26 (им соответствуют токи !а1, в1, 1в1, ic1. ic1,.ic1 в измерительных элементах 2 и 3), Вв — сопротивление резистора 92 обратной связи первого суммирующего инвертирующего усилителя 5 постоянного тока, Вт — сопротивления одинаковых компенсирующих резисторов 29 — 31 измерительных элементов 1 — 3, йв — одинаковые сопротивления нагрузочных резисторов 87—

89, входящих в состав преобразователей тока 23 — 25, Rg u C2 — сопротивление резистора

1659890 и емкость конденсатора времяэадающей

RC-цепи 39, (1д1, ив1, uc1 — напряжения на выходе усилителей 84-86, входящих в состав преобразователей 23-25 тока, I(e»(, U(>e»(— выходные ток и напряжение устройства. Кроме того, точкой а на фиг. 1 обозначен инвертирующий вход интегратора 35 постоянного тока.

Устройство работает следующим образом.

Вначале рассмотрим работу измерительного элемента 1. Фазное напряжение . UA создает в резисторе R1 реэистивного ,сумматора 32 (фиг, 1) ТоК IR1, мгновенное значение которого с учетом того, что точка а потенциально заземлена, равно

IR1 =—

Од

R! (1)

Через резистор R2 сумматора 32 протекает постоянный ток IR;>, создаваемый напРЯжением Оол1 на пеРвом выхоДе источника 4 опорных напряжений, равный

IR2 = = СОПЯ "

R2 (2)

Будем считать напряжение 0оп1 отрицательным. Резистор R2 выбирается таким образом, что ток !яг превышает IR1 при всех возможных значениях напряжения ид

Через резистор йэ сумматора 32 ток не протекает, если амплитудный модулятор 17

-подключает этот резистор к общей точке схемы (замкнут нижний ключ амплитудного модулятора 17, а верхний разомкнут). Назо, вем этот такт работы измерительного weмента 1 первым.

Во втором такте амплитудный модулятор 17 верхним ключом (нижний разомкнут) подключает резистор йз к постоянному положительному напряжению Оотг, снимаемому с второго выхода источника 4 опорных напряжений. Через резистор йэ при этом протекает ток !!1з, равный

183 = — = сопзт

Uîà2 (3) йэ

Резистор йз выбирается таким образом. что ток IR3 превышает сумму токов IR1 и IR2 при всех возможных значениях напряжения

UA, T.е.....

1!вз! >! 1ю! + 11яг! ° (4)

Результирующий выходной ток сумматора 32 является входным током 1,> интегратора 35 постоянного тока, Во время первого такта ток Iи, равный Iv=IR1+IR2, направлен в ту же сторону, что и ток IR2 и напряжение ии на выходе интегратора 35, нарастая, изменяется по закону ц>>(<) u>>>>>q > >>Де(>>> > J1>g>>1@> I)t > ($) где U o — напряжение на выходе интегратора при t=0.

Приращение напряжения ии за время т=

=t1, равное длительности первого такта, рав5 но

I

eu.,=..((,I-u„- J(„ i„)at, (e)

При t= t1 напряжение U (t) достигает

10 уровня срабатывания компаратора 11. Появляющийся при этом на его выходе импульс запускает одновибратор 14, управляющий работой амплитудного модулятора 17, который с этого момента подклю15 чает резистор йэ к напряжению + Оотг.

Начинается второй такт работы схемы. Поскольку выполняется неравенство (4), результирующий выходной ток 1и сумматора

32, равный теперь 1 =!из-(М1+1кг), изменяет

20 свое направление„в результате чего выходное напряжение Ug интегратора 35 начинает уменьшаться. Длительность импульса, вырабатываемого одновибратором 14, определяется его параметрами и равна 1ид.

25 Изменение напряжения на выходе интегратора Л0иг за время i@A определяется Ilo аналогии с (5) и (6) выражением (>4 tÈ»>

После окончания импульса одновибратора вновь начинается первый такт работы, амплитудный модулятор 17 переключается в исходное положение, входной ток I» интег-.

35 ратора 35 принимает первоначальное значение !<=IR1+ fR2 и напряжение на выходе интегратора снова начинает нарастать в соответствии с (5). В дальнейшем процессы в схеме повторяются, причем период TA рабо40 ты схемы равен

TAt 1+1ид. (8)

Приращение напряжения ии во время первого такта Ь 0и! равно уменьшению

h;U„2 во время второго. Приравнивая (6) и

45 (7), учитывая что (>(»a Мм t

j !„ЬЬ*!„, „„, j tÄ,д . „ „„,, г„, . „, 50 и решая полученное уравнение относительно fA = 1/Тд = 1/(t1, + QA) получаем

<аа««> э ° >

" a 4в»а где (9)

55 >» ср т >, И|среднее за период Тд работы схемы значениЕ тОка 1я1.

Подставляя в (9) значения IR1, !яг, 1яэ, из (1) — (3). находим

1659890

U ))q UpcpРа 7а (11) среднее эа период Тд работы схемы значение напряжения 0д, 0оп1 Ra

Uom Йг t A (12) постоянная составляющая частоты fA;

Ra

U В1 """ - «И переменная составляющая частоты fA, Знак f A в формуле (10) изменяется при изменении знака Од. В тот полупериод, когда UA отрицательно, направления токов IR1 и !щ совпадает, и частота fA возрастает (f д в формуле (10) имеет знак плюс); в следующий полупериод, когда иА положительно, ток IR1 изменяет свое направление, и частота 1д уменьшается (1.д в формуле (10) имеет знак минус). Параметры схемы выбирается таким образом, что частота fA в любой момент времени значительно(в сотни раз) превышает частоту входных напряжений и токов устройства. Вследствие этого можно полагать, что среднее идар за данный период Тд работы рассмотренной схемы значение напряжения Од равно ere мгновенному значению, т.е, t)Acp -Ч1А. (13а)

Выходные импульсы одновибратора 14 с длительностью тид и частотой fA поступают на вход блока 20 гальванического разделения импульсных сигналов, импульсы на выходе которого имеют ту же длительность t

Фазный ток IA поступает на вход преобразователя 23 тока, выходной ток IA1 которого, гальванически изолированный от тока

lA, содержит в общем случае постоянную составляющую IAo, не зависящую от тока IA, и переменную IAt пропорциональную IA, т.е.

lA1 = lAO+ iA1. (14) гдЕ IA1 = К1!д (1 5)

К вЂ” коэффициент пропорциональности.

Ток 1А1 протекает через подвижный и тот из неподвижных контактов перекидного ключа 26, который в данный момент соеди- нен с подвижным. Перекидной ключ 26 управляется выходными импульсами блока 20 гальванического разделения импульсных сигналов, имеющими длительность tttA и частоту следования fA (10). Во время действия импульса подвижный контакт соединяется с .первым (верхним) неподвижным контактом, во время паузы с вторым (нижним). В результате во время импульса ток IA1проходит на вход первого суммирующего инвертирующего усилителя 5 постоянного тока, а во

5 время паузы на вход второго усилителя 6.

Найдем среднее значение токов, проходящих через первый и второй неподвижные контакты, Среднее за период TA выходных импульсов одновибратора 14 значение тока

10 IA1cp, пРотекаюЩего чеРез пеРвый непоДвижный контакт, с учетом (14, 15) равно (fA=1/ TA) мЛ .I — <„df

ЛЕр, I >

20 среднее за данный интервал 1ид значение фазного тока IA.

Среднее за период Тд значение тока

lA1cp, пРотекаюЩего чеРез втоРой непоДвижный контакт, равно

llgp т ) а а .а

Та 1 (4о+ ам.Ht ° (tp-t„alfp I to + (8) аа

Л --) 4:., 30 ас — 1

I„ t„„

Лаа среднее за данный интервал (TA — Ъд) значение тока IA, причем интервал (Тд — таад) при35 мыкает к предыдущему интервалу tuA.

Ток IA1является одним из входных токов второго суммирующего инвертирующего усилителя 6 постоянного тока, B масштабном резисторе 8, имеющем сопротивление

40 R5, этот ток создает среднее за период Тд значение тока IR5cpA, равное

R4

IR5cpA = lA1cp — (20) п5

Ток )к5срд вместе с током IA1cp (16) сУм45 мируется первым суммирующим инвертирующим усилителем 5 постоянного тока, среднее за период Тд значение составляющей его выходного напряжения 01, обусловленной работой одного только

50 измерительного элемента 1, подключенного

К фаЗЕ А, t)1cpA РаВНО t Р Л (p р леера) 1л к, ЛвсР "Л Ласр)) R6 (21)

S р1

55 ПОдСтаВЛя» В (21) ЗНаЧЕНИя )A1cp И )д1ср из (1 6) и (18) и учитывая (10), после преобразований получаем ())i )1

)1лалл )) 4л м

FЛ ° а R+ лаЛл f À ûþ (<+ )+ K аср а

165989Î

12 » ,6,(».,«„.b —,".* Д-k»»»6<„A<. (» Я«, А«Р а,1 (2)

Токи IAcp u IAucp в (22}, как видно из (17) и (19), представляют собой средние за два примыкающих друг к другу интервала времени t»AA и (Тд — t»AA) значения входного тока

1д. Поскольку частота fA значительно (в сотни раэ) превышает частоту тока!д, значения

lAcp u iAcp МОЖНО СЧИтатЬ РаВНЫМИ МЕЖДУ собой и мгновенному значению тока 1А, т.е.

»Аср = IAcp = IA. (23)

Дополнительная погрешность может возникнуть ввиду наличия коммутационных выбросов, возникак)щих при переключении перекидного ключа (26-28), работающего с высокой частотой fA (fg, (с). Постоянная составляющая этих выбросов и ее нестабильность могут вызвать нестабильность выходного сигнала устройства, В схеме, однако, коммутационные выбросы, вызванные переключением ключа из одного положения в другое, в значительной степени взаимно компенсируются наличием сум. мирующего инвертирующего усилителя 6.

Действительно, постоянная составляющая тока, обусловленная выбросами, возникающими при переключении второго (нижнего) неподвижного контакта, пройдя через инвертирующий усилитель 6. изменяет свое направление и оказывается направленной встречно с постоянной составляющей тока, обусловленной выбросами, возникающими при переключении первого (верхнего) неподвижного контакта, в результате чего происходит взаимная компенсация обеих постоянных составляющих. В случае полной идентичности обоих контактов постоянные составляющие, обусловленные выбросами, полностью взаимно компенсируются при выполнении условия н4 1 56 (24) в этом случае, пройдя через инвертирующий усилитель 6, постоянная составляющая тока, обусловленная выбросами, возникающими при переключении второго неподвижного контакта, не изменяет своей величины в резисторе Ftg. Весьма близкими по своим параметрам являются ключи, входящие в состав одной интегральной схемы, на таких ключах и следует построить каждый из перекидных клк>чей 26-28. Подставляя (23) и (24) в (22), получаем

Л«» 6 АО(»»Л НА1 6 4»» 4 44» "» 4 6(»- «АЛ 6»41 ф®

-2К,Й 1„„ „. »4, Подставляя в (25) 1 од из (12) и f д из (13) и учитывая (13а), НаХОдИМ»»»чл.а,(„(» e- «л»-1

u„„„„1».аа д а а»»а, (Рб

6 Ъ вЂ” u, Первое слагаемое (26) представляет собой постоянную составляющую напряжения U<. Вследствие нестабильности тока IAo эта составляющая, проходя через выходной фильтр 7 постоянной составляющей, может привести к появлению дополнительной погреш ности.

Второе и третье слагаемые, пропорциональные входным напряжению оА и току 1д, постоянную составляющую не содержат и привести к изменению выходного сигнала фильтра 7 постоянной составляющей не могут.

Поскольку, однако, они имеют частоту входных сигналов, для их подавления приходится существенно увеличивать постоянные времени, а значит и инертность

20 выходного фильтра 7 постоянной составляюЩей. Обычно ToK IAc невелик и пРеоблаДающим из этих двух оказывается третье слагаемое, Четвертое слагаемое, пропорциональ25 ное мгновенной мощности

PA = ГАДЬ, (27) содержит постоянную составляющую, пропорциональную активной мощности т 6 ° вЂ, j «,,»», Щ) где Т вЂ” период входных сигналов, и переменную составляющую, подавляемую фильтром 7; В случае чисто синусоидальных входных сигналов переменная составляю35 щая представляет собой вторую гармонику, значительно эффективнее подаваемую фильтром по сравнению с основной.

Таким образом, с целью повышения точности и быстродействия устройства первое

4О и третье слагаемые формулы (26) необходимо устранить. для чего достаточно обратить в нуль выражение в скобках при этих слагаемых, одинаковое у обоих слагаемых. Для этого согласно (26) и(25) необходимо выпол45 нить следующее условие:

Ооп1 йз 1 =- .д.д=(29)

Uo»»2 1 2 или

R2 =2йз

Uîï1 . (29а) ов2

Значение выражения в левой части (29) зависит от отношения сопротивлений прецизионных резисторов, которое может быть выдержано с высокой точностью без инди55 видуального подбора резисторов, и от отйошения выходных опорных напряжений Uc»»> и Щл2, вырабатываемых источником 4 опорного напряжения, Если оба напряжения получить при помощи двух различных эк13

1659890

14 земпляров прецизионных стабилитронов, иэ-за существенного разброса напряжения стабилизации для точного выполнения vcnoвия (29) резисторы Яг и Вз придется каждый раз подбирать.

Чтобы исключить необходимость подбора резисторов, источник 4 опорных напряжений выполнен в виде (фиг. 2) параметрического стабилизатора 98 на прецизионном стабилитроне, на выходе которого образуется положительное напряжение Оотг, и инвертирующего повторителя 99 постоянного напряжения, на выходе которого образуется отрицательное напряжение Uo», равное с высокой точностью Оопг. Полагая Uo»=Uon2 (26) и (29) переписываем в виде: кз

" срр 2а аю(К" 22 4>g "Us+

К °, Rc2>

ê,к,(2rl " 2к, О R """ (ЗО) к

3 "one i — *k,4 „- Як ° 22к. (Я)

При выполнении условий (29а) и (31) иэ (26) и (30) получаем а

Выходной сигнал устройства пропорционален постоянной составляющей напряжения 01, выделяемой фильтром 7, подавляющим переменную составляющую

01. Составляющая выходного сигнала фильтра, обусловленная напряжением 01срд, с учетом (28), а также того обстоятельства, что первое слагаемое (32) постоянной составляющей не содержит, равна

I г

ta4IA KV T UICPidt

22

° 2k ",у — 1Г т и„1„ -

О где Kg=const — коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами фильтра 7, К=2КФК10 К (33а)

Оопг В1

Условие (31) не всегда может быть выполнено, поскольку оно ограничивает наибольшУю частотУ fAmax значением тдтах < 2foA (34) при которон

TAmin=1/fAmax > 1ид.

В общем случае, когда условие (31) по тем или иным соображениям выполнить нежелательно или невозможно, для полной компенсации первого и третьего слагаемых в формуле (30) необходимо ввести компенсирующий резистор 29 (30, 31). Он выключается между выходом преобразователя 23 (24, 25) тока, на котором можно получить сигнал напряжения Ua1, (Ов1, Ос1), пропор2 — =2 fîÀ амид < 1 з

Вг

45

R3

2 — =2 foAтиД >1, R2 (39) знак компенсирующего их напряжения Окд должен измениться, для чего компенсирующий резистор 29 следует подключить к вхо55 ду второго суммирующего инвертирующего усилителя 6. Тогда для Окд с учетом Ф 6 R6 Rg

UKA 0A(о р "0А1 р "2(до+ "1 À1 р

7 5 т т (4О) 10

Ционального выхоДномУ токУ iA1=IAo+ KiA (1в1, ic1) преобразователя тока, и входом одного из суммирующих инвертирующих усилителей 5, 6 постоянного тока, в зависимости от знака первого и третьего слагаемых в (25) и (30), Если эти слагаемые положительны, т.е. если выполняется условие (35) для их полной компенсации необходимо получить компенсирующее напряжение Окд с отрицательным знаком, пропорциональное току ia1, и просуммировать это напряжение с напряжением 01сра (30). Для получения требуемого знака напряжения

UKA достаточно проинвертировать напряжение Од1. подав его через компенсирующий резистор 29 на вход первого суммирующего инвертирующего усилителя

5 постоянного тока и выбрав соответствующим образом сопротивление Я7 резистора

29. Пусть, например, UA1= Кг!А1=Кг(!Ао+ К11А), (36) где Кг=сопзс — коэффициент пропорциональности.

На выходе первого суммирующего инвертирующего усилителя 5 напряжение Од1 даст слагаемое

0к„--u„,k lR ° -K<(i> к1 "бр" {37) Условием полной компенсации первого и третьего слагаемых в (30) будет

Rq

U s+(Cao Ki alRg(4-2R .К

Подставляя сюда значение Окд из (37), находим требуемое для полной компенсации сопротивление Кт резистора 29

Кт — (38) Условие (38) не зависит от значения тока iA1 и может быть точно выполнено при всех значениях входных сигналов.

Если первое и третье слагаемое (25) и (30) отрицательны, т.е. если выполняется условие

1659890

10

Условием полной компенсации первого и третьего слагаемых в (30) будет икк (ко Ко 1R (1-2р„1 О, (1)

Требуемое из (41) и (40) для полной компенсации значение Ят определяется модулем выражения (38).

Полученные выше соотношения относились к измерительному элементу 1, на входы которого подаются напряжения и ток фазы

А.

Поскольку измерительные элементы 2 и

3 по своей схеме и включению полностью идентичны элементу 1, создаваемые ими соСтаВЛЯЮЩИЕ и1срВ И И1С>С НаПРЯжЕНИЯ И1 На

Входе фильтра 7 могут быть найдены па формулам, аналогичным (32):

Чк.рь- 24ь ьо ц — -"ьооо 2) ось Ri

Ч1срс 2кeIeo 0 д Чс 22, g R Чс с ьр . )

OII7 сок

Выходной фильтр 7 постоянной составляюЩей выделяет сумму постоянных составляЮЩИХ НаПРЯжЕНИй U1cpA, U1cpB И U1cpC. ПО аналогии с (33) имеем ьмк - ьмк ь+ р ььп ь+ ьыкст т к

" р (J 0 ñ ð ь о р- I ср ь с к. (ñ ð ñ" 1 =

-К(а„,Г, Р1-RV, .(Ц ) где К вЂ” определяется из (ЗЗа), .Pa=PA+PB+Pc — активная мощность трехфазной четырехпроводной цепи, Таким образом, выходной сигнал устройства пропорционален активной мощности трехфазной цепи.

В случае трехправодной трехфазной цепи измерение мощности осушествляют па двухэлементной схеме, отличающейся от рассмотренной использованием только двух измерительных элементов. В этой схеме общий вывод источника 4 опорных напряжений соединяется с одной из фаз трехфазной цепи, две другие фазы подключаются к первым входам резистивных сумматоров оставшихся измерительных элементов, а к их преобразователям токов подводятся токи этих же фаз.

В случае измерения мощности в однофазной цепи используется только один измерительный элемент, причем напряжение измеряемой цепи подключается между первым входом резистивного сумматора этого элемента и общим выводом источника разнополярных орорных постоянных напряжений, а к преобразователю тока измерительного элемента подводится ток измеряемой цепи.

Как видно из формулы (10), частота fA (fB, fc) выходных импульсов одновибратора

14 (15, 16) не зависит от емкости С1 конденсатора, входящего в состав интегратора 35 постоянного тока, и напряжения срабатывания компаратора 11 (12, 13). Напряжение смещения нуля и входные токи операцианнога усилителя, входящего в схему интегратора 35, оказывают влияние только на частотУ foA (foB foc) в выРажении (10) и не влияют на f д (f в, f с). В то же время как видна из выражен ной (25), (30), (42), (43), (44), (13), при выполнении условия (29а) (31) или (38) выходной сигнал устройства (latex, 0вцх) определяется только 1 -д (f в, f -с) и не

ЗаВИСИт От foA (! оВ. foC) а таКжЕ От дЛИтЕЛЬНОСТИ тиД (тиВ, IgC) ВЫХОДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ОДновибратора 14 (15, 16). Эти обстоятельства позволяют выполнить кампаратор и одновибратор по простейшей схеме, совместив их в одном блоке, Схема такого совмещенного блока 11, 14 (12, 15; 13, 16) приведена на фиг. 2. Она состоит из RS-триггера 36 (37, 38), на вход S которого подано выходное напряжение интегратора 9(10), RC-цепи интегрирующего типа 39 (40, 41), в которую входят резистор

Rg и конденсатор С2 и выход которой подключен к входу Rтриггера 36 (37,,38) и ключа

42 (43, 44), подключенного параллельно конденсатору Времязадающей цепи. Управляющий вход ключа подключен таким образом, чтобы при единичном состоянии триггера ключ был бы разомкнут. Если ключ замыкается при наличии на управляющем входе сигнала "0", управляющий вход подключается к единичному выходу триггера, в противном случае управляющий вход следует подключить к нулевому выходу триггера, если он доступен, либо к выходу логического инвертора, подключенного к единичному выходу триггера, если нулевой выход триггера не доступен. Выходные импульсы одновибРатоРа с Длительностью тид(тив, 4tc) образуются на выходе триггера.

Работу схемы рассмотрим применительно к измерительному элементу 1.

Когда нарастающее в первом такте работы схемы выходное напряжение интегратора 35 достигает напряжения срабатывания триггера 36, последний переключается в единичное состояние, что приводит к размыканию замкнутого перед этим ключа 42. Вследствие этого конденсатор Cz времязадающей цепи 39 начинает заряжаться через времязадающий резистор Ят.

Когда нарастающее напряжение на конденсаторе достигает уровня срабатывания триггера 36, последний переключается в нулевое состояние, что приводит к замыканию ключа 42 и быстрому разряду конденсатора

1659890

Сг, Схема переходит в исходное, устойчивое состояние.

Как только триггер переключается в единичное состояние, появляется ток IRa в резисторе Вз резистивного сумматора 32, выходное напряжение интегратора начинает уменьшаться и становится меньше уровня срабг. ывания триггера.

Таким образом, функции компаратора

11 выполняет триггер 36, он же входит в состав одновибратора 14. Длительность tgA

10 выходных импульсов схемы определяется выражением

t A = — Ro Сг In (1 — — ), (+)

U„

01 15 где Ucp — напряжение срабатывания триггера 36 по входу R;

U — напряжение "1"- на выходе триггера.

Как уже отмечалось, нестабильность 20 длительности таад (t<8, 1ис), как и нестабильность напряжения срабатывания по входу S, не приводит к изменению выходного сигнала устройства.

Амплитудный модулятор 17 (18, 19, фиг.

1) представляет собой два последовательно включенных работающих в противофазе ключа, к которым (т,е. к сигнальному входу амплитудного модулятора) подводится постоянное напряжение Uo . Если напряжение Uon." положительно, с целью упрощения схемы и повышения ее точности в качестве таких ключей можно использовать выходные каскады КМОП цифровых интегральных схем, представляющие собой два противо- 35 фазно работающих ключа, к первому контакту одного из которых подводится положительное напряжение питания схемы, второй его контакт соединяется с первым контактом другого ключа, образуя 40 выход схемы, а втооой контакт этого ключа заземляется. Функции сигнального входа такого амплитудного модулятора выполняет вывод, к которому подводится напряжение питания интегральной схемы. Сопротивле- .45 ние таких ключей в КМОП, обладающих повышенной нагрузочной способностью, например, в повторителях напряжения (преобразователях уровня), инверторах достаточно мало и его можно еще уменьшить, 50 применив параллельное включение нескольких схем. В устройстве в качестве амплитудных модуляторов используются в каждом из измерительных элементов по два объединенных параллельно по входам и вы- 55 ходам элемента КМОП преобразователя уровня (повторителя напряжения), содержащего в составе одной микросхемы шесть .таких элементов, имеющих общее напряжение питания Uooz, причем. общий вывод иытегральной схемы соединен с нулевой фазой измеряемой цепи. Поскольку питающие выводы являются общими для всех элементов, на схеме показано подключение сигнального входа и общей точки только для одного амплитудного модулятора 17.

Блок 20 (21, 22) гальванического разделения импульсных сигналов осуществляет преобразование выходных импульсов одновибратора 14 (15, 16) в такие же по длительности импульсы, гальванически изолированные от цепи одновибратора и образуемые относительно общей точки выходной части схемы. Она состоит из двух последовательно соединенных логических инверторов 45 (46, 47), вход первого из которых соединен с выходом одновибратора

14 (15, 16), ограни