Устройство для измерения электрических параметров

 

Использование: изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в системах автоматического регулирования статических компенсаторов. Сущность изобретения: устройство содержит датчик тока, датчик напряжения, сеть, узел синхронизации, функциональный преобразователь, интегратор, буферный усилитель, элемент выборки и хранения, два резистора, два конденсатора, операционный усилитель, три ключа. 4 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в системах автоматического регулирования статических компенсаторов.

Известно устройство (аналог) [1] , содержащее измерительный элемент, выход которого соединен с входами параллельно включенных преобразовательных каналов, первый из которых выполнен в виде последовательно соединенных разделительного диода, инвертора, интегратора, ключа передачи и ключа сброса, включенного между выходом интегратора и общей шиной, а второй - в виде последовательно соединенных разделительного диода, интегратора, ключа передачи и ключа сброса, включенного между выходом интегратора и общей шиной.

Недостатком указанного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная неидентичностью преобразовательных каналов.

Известен трехфазный измеритель реактивной мощности (прототип) [2], включающий умножители, первый, второй и третий сумматоры (умножители и сумматоры, образуют функциональный преобразователь), первый, второй и третий интеграторы с установкой в "0", первый, второй и третий элементы выборки и хранения, датчики тока и датчики напряжения сети, выходами соединенные через умножители с входами сумматоров, выход каждого из которых через соответствующий интегратор с установкой в "0" соединен с входом соответствующего элемента выборки и хранения, узел синхронизации, входами подключенный к датчикам напряжения сети, а выходами - к входам управления элементов выборки и хранения, при этом каждый из интеграторов с установкой в "0" включает конденсатор, ключ, управляющий вход которого является входом установки в "0" интегратора, резистор и операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой питания, а инвертирующий вход через резистор - с сигнальным входом интегратора с установкой в "0" и через параллельно соединенные конденсатор и ключ - с выходом интегратора с установкой в "0" и выходом операционного усилителя.

Недостатком указанного устройства является невысокая точность измерения, обусловленная конечностью времени установки в "0" интеграторов.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения параметра электрической сети, содержащее функциональный преобразователь, интегратор, элемент выборки и хранения, выход которого является выходом устройства, датчик напряжения или датчики тока и напряжения, входами подключенные к сети, а выходами через функциональный преобразователь - к сигнальному входу интегратора, и узел синхронизации, входом подключенный к выходу датчика напряжения, а выходами - к выходу установки в "0" интегратора и входу управления элемента выборки и хранения, при этом интегратор включает первый конденсатор, первый ключ, управляющий вход которого является входом установки в "0" интегратора, первый резистор и операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей точкой питания, а инвертирующий вход через первый резистор - с сигнальным входом интегратора и через параллельно соединенные первый конденсатор и первый ключ - с выходом интегратора, новым является то, что введен буферный усилитель, в интегратор введены второй резистор, второй конденсатор, второй и третий ключи, управляющие входы которых соединены с дополнительными выходами узла синхронизации, причем второй ключ включен между выходом операционного усилителя и выходом интегратора, второй конденсатор соединен первым выводом с инвертирующим входом операционного усилителя, а вторым выводом через второй резистор - с общей точкой питания и через третий ключ - с выходом операционного усилителя, кроме того, выход интегратора соединен через буферный усилитель с выходом элемента выборки и хранения.

Существенные отличия предлагаемого устройства видны из сопоставительного анализа с известными устройствами (аналогами), выполненными по а.с. N 252465, кл. G 01 R 21/06, N 960646, кл. G 01 R 19/06, N 1007040, кл.G 01 R 19/22, N 1174872, кл. G 01 R 19/22, N 1239613, кл. G 01 R 19/22, N 1252735, кл. G 01 R 19/04, патент США N 4172234, кл. H 02 J 3/18 и др. Устройства, выполненные по а.с. N 252465, кл. G 01 R 21/06, N 960646, кл. G 01 R 19/06, N 1252735, кл. G 01 R 19/04, в основе которых лежит метод мгновенной выборки измеряемого сигнала, имеют погрешности из-за несинусоидальности тока и напряжения. Для уменьшения погрешности используют метод интегрирования (а. с. N 1007040, кл. G 01 R 19/22, N 1174872, кл. G 01 R 19/22, N 1239613, кл. G 01 R 19/22). Устройство по а.с. N 1174872 имеет невысокую точность в динамических режимах из-за того, что информация с выхода интегратора фиксируется через каждый период. Более высокую точность имеют устройства по а.с. N 1007040, кл. G 01 P 19/22 и N 1239613, кл. G 01 R 19/22, поскольку выборка интегральных значений измеряемого сигнала осуществляется через каждый полпериода, но имеют погрешность из-за наличия двух неидентичных преобразователей каналов. Фаза измерительного устройства из патента США N 4172234, кл. H 02 J 3/18 имеет один преобразовательный канал, включающий последовательно соединенные умножители, сумматор, интегратор и элемент выборки и хранения, однако имеет также погрешность из-за влияния на процесс интегрирования установки в "0" интегратора. В предлагаемом устройстве, имеющем один преобразовательный канал, включающий функциональный преобразователь, интегратор, элемент выборки и хранения, указанное влияние установки в "0" интегратора на процесс интегрирования исключено путем включения между интегратором и элементом выборки и хранения буферного усилителя, а также введения в интегратор второго конденсатора, второго и третьего ключей и второго резистора. Это позволяет в течение времени установки в "0" интегратора, когда шунтируется первым ключом первый конденсатор, накапливать результат интегрирования за это время вторым конденсатором, подключаемым в обратную связь операционного усилителя с помощью третьего ключа, при отключенном с помощью второго ключа первом конденсаторе от выхода операционного усилителя, затем, с помощью размыкания третьего ключа, передать заряд с второго конденсатора на первый через второй резистор. Таким образом, интегральное значение за время установки в "0" не "вырезается" из результата интегрирования за время полупериода. Буферный усилитель служит для исключения разряда первого конденсатора токами утечки.

Таким образом, предложенное решение соответствует критериям изобретения "существенные отличия" и "положительный эффект".

Предлагаемое устройство представлено на фиг.1-3, на фиг.4 представлены временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит датчик 1 тока (трансформатор тока) и датчика 2 напряжения (трансформатор напряжения), входами подключенные к сети 3, узел 4 синхронизации, последовательно соединенные функциональный преобразователь 5, входами подключенный к выходам датчика тока 1 и напряжения 2, интегратор 6, буферный усилитель 7 (выполнен на операционном усилителе, например, по схеме рис.2.10 литературы: "Гальперин М.В. Практическая схемотехника в промышленной автоматике. М.: Энергоатомиздат, 1987, с.320) и элемент 8 выборки и хранения (выполнен, например, на микросхеме КР1100СК2 б КО.348,677 ТУ), выход которого является выходом устройства; интегратор 6 выполнен на первом 9 и втором 10 резисторах, первом 11 и втором 12 конденсаторах, операционном усилителе 13, неинвертирующим входом соединенном с общей точкой питания, первом 14, втором 15 и третьем 16 ключах (выполнены на полевых транзисторах, например, КПЗОЗИ Ц20.336.601 ТУ), причем операционный усилитель 13 соединен инвертирующим входом через первый резистор 9 с сигнальным входом интегратора 6, через параллельно соединенные первые ключ 14 и конденсатор 11 с выходом интегратора 6 и через последовательно соединенные второй конденсатор 12 и третий ключ 16 с выходом операционного усилителя 13, второй ключ 15 включен между выходом операционного усилителя 13 и выходом интегратора 6, второй резистор 10 включен между общей точкой питания и точкой соединения второго конденсатора 12 и третьего ключа 16; узел 4 синхронизации выполнен в виде последовательно соединенных фазовращателя 17 (выполнен, например, по схеме рис.3.17 б книги Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях. Справочник. К.: Техника, 1983, с.213), нуль-органа 18 (выполнен на компараторе, инвертирующий вход которого соединен с общей точкой питания), формирователя 19 импульсов, (выполнен, например, по схеме, приведенной в книге Губников В.С. Интегральная электроника в измерительных приборах. Л.: Энергия, 1974, с.108, рис.56) и одновибраторов 20-22 (каждый выполнен, например, по схеме рис.5.10.2 книги Гутников В. С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд. Перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1988, с.304), и RS-триггера 23, который S-входом установки в "1" соединен с выходом одновибратора 22 и R-входом установки в "0" соединен с выходом формирователя 19 импульсов, причем вход фазовращателя 17 является входом узла 4 синхронизации, а выход формирователя 19 импульсов, выход одновибратора 21, прямой и инверсный выходы RS-триггера 23 являются выходами a,b,c и d соответственно узла 4 синхронизации, которые соединены с управляющим входами элемента 8 выборки и хранения, первого 14, второго 15 и третьего 16 ключей интегратора 6, соответственно, функциональный преобразователь 5 может быть выполнен в виде активного выпрямителя при измерении напряжения сети (см.схему на рис. 4.2, а книги Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. 2-е изд. Перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, Ленинград, отд-ние, 1988, с.304), при измерении мощности в виде (фиг.3) фазовращателя (выполнен аналогично фазовращателю 17), вход которого является первым входом функционального преобразователя 5, и умножителя 25 (микросхема К525ПС2 КО.347.127 ТУ), первый вход которого соединен с выходом фазовращателя 24, а второй вход и выход являются вторым входом и выходом соответственно функционального преобразователя 5, и при измерении соответствующих тока - вместо умножителя 25 использован фазочувствительный выпрямитель (выполнен по схеме рис.4.4а книги Губников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.; 2е изд. , перераб. и доп. Л.:Энергоатомиздат, Ленинград, отд-ние, 1988, с. 304), а между фазовращателем 24 и фазочувствительным выпрямителем (умножитель 25) включен нуль-орган 26 (выполнен аналогично нуль-органу 18).

Работа устройства заключается в следующем.

В общем виде функциональный преобразователь 5 из сигналов, поступающих от датчиков тока 1 и напряжения 2 сети 3, формирует сигнал, постоянная составляющая которого пропорциональна измеряемому параметру сети. Выделение этой постоянной составляющей осуществляется с помощью интегратора 6 путем усреднения за полупериод сигнала с выхода функционального преобразователя 5 и запоминания элементом 8 выборки и хранения результата усреднения. Управление интегратором 6 и элементом 8 выборки и хранения осуществляется узлом 4 синхронизации, на вход которого поступает сигнал с выхода датчика 2 напряжения, пропорциональный напряжению сети 3.При измерении составляющей тока сети 3 на вход функционального преобразователя 5 поступает сигнал U₁ с выхода датчика 1 тока, пропорциональный текущему значению тока сети i_з. В этом случае функциональный преобразователь (фиг.3) содержит фазовращатель 24, фазочувствительный выпрямитель 25 и нуль-орган 26. Допустим, устройство предназначено для измерения реактивной составляющей тока сети i_з. В этом случае фазовращатель настроен на сдвиг напряжения U₂ с выхода датчика 2 напряжения на угол ϕ = (фиг.4). Нуль-орган 26 по положительным полуволнам напряжения U₂₄ с выхода фазовращателя 24 формирует логический сигнал "1" (U₂₆), управляя фазочувствительным выпрямителем 25 (так, что сигнал U₁ с выхода датчика 1 тока инвертируется фазочувствительным выпрямителем 25 (фиг. 4, временная диаграмма U₂₅ или U₅), при логическом сигнале "0" сигнал U₁ передается через фазочувствительный выпрямитель 25 без инверсии. По напряжению U₂ с выхода датчика 2 напряжения узел синхронизации вырабатывает импульсы U_a, U_b, U_c и U_d для управления интегратором 6 и элементом 8 выборки и хранения. Напряжение U₂ в узле 4 синхронизации сдвигается фазовращателем 17 на такой угол, чтобы результат интегрирования формировался в необходимый момент времени. По положительным полуволнам напряжения U₁₇ с выхода фазовращателя 17 нуль-органа 18 формируется логический сигнал "1". В моменты изменения сигнала из "0" в "1" и из "1" в "0" формирователь 19 импульсов формирует прямоугольные импульсы U₁₉ или U_а (фиг.4), которые устанавливают RS-триггер 23 в состояние "0", а спадом (задним фронтом) запускают одновибратор 20. Прямоугольные импульсы U₂₀ одновибратора 20 спадом запускают следующий одновибратор 21, который также формирует прямоугольные импульсы U₂₁ или U_b, запускающие спадом одновибратор 22. Последний устанавливает RS-триггер 23 в состояние "1" (смотрите временные диаграммы U_c и U_d на фиг.4). На фиг.4 для упрощения рассмотрения функционирования устройства фазовые углы фазовращателей 17 и 24 приняты равными друг другу, т.е. π/2. В этом случае функции фазовращателей 16,24 и нуль-органов 18 и 26 могут быть совмещены для упрощения устройства. Сигнал напряжения U₅ с выхода функционального преобразователя 5 поступает на вход интегратора 6, где под действием через резистор 9 протекает ток, равный . В зависимости от того, какие из ключей 14, 15 и 16 замкнуты, а также разомкнуты, т.е. какой из конденсаторов 11 или 12 подключен в обратную связь операционного усилителя 13, тот из конденсаторов и будет заряжаться указанным током. В течение времени от t₁ до t₂ (фиг.4) информация в виде напряжения на конденсаторе 11, поступая через буферный усилитель 7, запоминается элементом 8 выборки и хранения под действием импульса U_а, поступающего с выхода а узла 4 синхронизации на его управляющий вход.

Затем на время с t₃ по t₄ замыкается первый ключ 14, который разряжает первый конденсатор 11 до нулевого напряжения (информация стирается) под действием импульса U_b, поступающего с выхода b узла синхронизации 4 на управляющий вход первого ключа 14. Так как в течение времени от t₁ до t₄ на управляющем входе второго ключа 15 присутствует сигнал в виде "0", то этот ключ разомкнут и конденсатор 11 выключен из обратной связи операционного усилителя 13, т.е. через первый конденсатор 11 не протекает в это время ток заряда, что обеспечивает на время от t₁по t₃ неизменным напряжение на первом конденсаторе 11, облегчая процесс запоминания информации с высокой точностью, и за время от t₃ по t₄полный разряд первого конденсатора 11. В течение времени с t₁ по t₄ в обратную связь операционного усилителя 13 с помощью третьего ключа 16 включен второй конденсатор 12, так как на управляющий вход третьего ключа 16 с выхода d узла синхронизации на это время поступает сигнал в виде "1". Величина заряда, накопленная вторым конденсатором 12 за это время, равна q₁₂= U₅dt (1) В течение времени с t₄ по _t5 в обратную связь операционного усилителя 13 с помощью второго ключа 15 подключается первый конденсатор 11, который заряжается током, равным , а также током от разряда второго конденсатора 12 через второй токоограничивающий резистор 10. Таким образом первый конденсатор 11 приобретает заряд, накопленный вторым конденсатором 12 за время с t₁ по t₄, и заряд от тока, равного , за время с t₄ по t₅: q₁₁= q₁₂+ U₅dt (2) Величина напряжения на первом конденсаторе 11 с учетом выражений (1) и (2) U₁₁= = U₅dt + U₅dt = Следовательно, в момент времени t₅, как и в момент времени t₁, напряжение на первом конденсаторе 11 имеет величину, пропорциональную интегральному значению напряжения U₅ с выхода функционального преобразователя 5 за половину периода, которая фиксируется через буферный усилитель 7 элементом 8 выборки и хранения в течение времени с t₅ по t₆ и т.д. Буферный усилитель исключает разряд первого конденсатора 11 в момент фиксации результата измерения.

Пусть ток сети 3 равен i₃=I_msin(ωt-ϕ),(3) где I_m - амплитуда тока; ϕ - фазовый сдвиг тока относительно напряжения сети ИЗ;
ω - круговая частота.

Тогда напряжение на выходе интегратора 6 в момент времени t₅
U₆= U₁₁= - I_{m =} , (4) где К₁ и К₅ = -1 - коэффициенты передачи датчика 1 тока и функционального преобразователя 5 соответственно;
t₁= . Следовательно, на выходе элемента 8 выборки и хранения формируется напряжение, пропорциональное реактивной составляющей тока сети
I_msin ϕ .

При измерении реактивной мощности сети в функциональном преобразователе 5 должен быть умножитель вместо фазочувствительного выпрямителя 25, а нуль-орган 26 (показанный пунктирной линией) - отсутствовать, т.е. фазовращатель 24 должен быть соединен выходом с входом умножителя 25 непосредственно. Фазовращатель должен быть настроен на фазовый сдвиг, равный . Если принять напряжение сети
U₃= U_msinωt, (5) где U_m - амплитуда напряжения, то напряжение на выходе фазовращателя 25
U₂₄= K₂K₂₄U_msint- , (6) где К₂ и К₂₄ - коэффициенты передачи датчика 2 напряжения и фазовращателя 24 соответственно.

На выходе умножителя 25 и функционального преобразователя 5 формируется напряжение, которое с учетом выражения (3) и (6)
U₅= U₁U₂₄= K₁I_msin(ωt- ϕ)K₂K₂₄U_msint- =
(7 )
На выходе интегратора 6 в момент t₅ (узел синхронизации работает как показано выше) формируется напряжение
U₆= - U₅dt = - sinϕ (8)
Таким образом, на выходе элемента 8 выборки и хранения будет напряжение, пропорциональное реактивной мощности сети sinϕ. При измерении амплитуды напряжения сети 3 на выход функционального преобразователя 5 подают только сигнал U₂ с выхода датчика 2 напряжения, пропорциональный текущему значению напряжения сети U₃. Так как в этом случае функциональный преобразователь 5 представляет активный выпрямитель, то на его выходе напряжение
U₅ = K₂K₅ U , (9) где К₅ - коэффициенты передачи функционального преобразователя 5 (активного выпрямителя).

Пусть фазовращатель 17 узла синхронизации имеет нулевой фазовый сдвиг (отсутствует). Тогда на выходе интегратора 6 и элемента 8 выборки и хранения в момент времени t₅ формируется напряжение (с учетом выражений (5) и (9) )
U₆= - Udt = U (10)
Технико-экономические преимущества предлагаемого устройства по сравнению с известным прототипом (по а.с. N 1261044, кл. Н 02 J 3/26) видны из сопоставительного анализа.

В устройстве, взятом за прототип, измерение реактивной мощности осуществляется за интервал, равный полупериоду за вычетом времени t_pустановки интегратора в "0", так как установка в "0" интегратора производится шунтированием с помощью ключа на время полного разряда t_pконденсатора, включенного в отрицательной обратной связи операционного усилителя. Интегральное значение выражения (7) на интервале от t₁ + t_pдо t₁+ равно
K₁K₂K - tsinϕ - sinωt_psin(2ωt₁+ωt_p-ϕ), из которого относительная погрешность измерения
δ = + sin(2ωt₁+ωt_p-ϕ) (11)
Если в прототипе в качестве ключа используется полевой транзистор КПЗОЗИ, то сопротивление его утечки на печатной плате составляет ≈ 10 мОм. Емкость конденсатора должна быть такой величины, чтобы постоянная разряда его при закрытом ключе была по крайней мере на два порядка больше полупериода Т/2. Следовательно, величина емкости должна быть не менее 0,1 мкФ. Так как транзистор КПЗОЗИ имеет сопротивление в открытом состоянии ≈ 300 Ом, то постоянная разряда конденсатора через транзистор τ = 0,1˙10^-6˙300 = 30˙10^-6 с. Время t_p ≥ 3 τ = 90 мкс. Для надежности принимается t_p = 180 мкс.

Максимальная относительная погрешность
δ ≈ + = 0,018 + и превышает 3,6%.

В предлагаемом устройстве эта погрешность отсутствует. В предлагаемом устройстве, включающем функциональный преобразователь, интегратор, элемент выборки и хранения, влияния установки в "0" интегратора на процесс интегрирования исключено путем включения между интегратором и элементом выборки и хранения буферного усилителя, а также введения в интегратор второго конденсатора, второго и третьего ключей и второго резистора. Это позволяет в течение времени t_p установки в "0" интегратора, когда шунтируется первым ключом первый конденсатор, запоминать результат интегрирования за это время вторым конденсатором, подключаемым в обратную связь операционного усилителя с помощью третьего ключа, при отключенном с помощью второго ключа первом конденсаторе от выхода операционного усилителя, затем с помощью размыкания третьего ключа передать заряд с второго конденсатора на первый через второй резистор. В данном случае из результата интегрирования за Т/2 не "вырезается" интегральное значение за время t_p установки в "0". Буферный усилитель служит для исключения разряда первого конденсатора токами утечки.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ сети, содержащее функциональный преобразователь, датчики напряжения или датчики тока и напряжения, выходами подключенные к сети, а выходами - к входам функционального преобразователя, интегратор, элемент выборки хранения, и узел синхронизации, при этом выход функционального преобразователя соединен с сигнальным входом интегратора, узел синхронизации входом подсоединен к выходу датчика напряжения, а выходами - к входу установки в "0" интегратора и входу управления элемента выборки - хранения, а интегратор содержит первый конденсатор, первый ключ, управляющий вход которого является входом установки в "0" интегратора, первый резистор и операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, а инвертирующий вход через первый резистор - с сигнальным входом интегратора и через параллельно соединенные первый конденсатор и первый ключ - с выходом интегратора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, введен буферный усилитель, а в интегратор дополнительно введены вторые резистор и конденсатор, а также второй и третий ключи, управляющими входами подключенные к дополнительным выходам узла синхронизации, причем второй ключ включен между выходом операционного усилителя и выходом интегратора, второй конденсатор соединен первым выходом с инвертирующим входом операционного усилителя, а вторым выходом через второй резистор - с общей шиной и через третий ключ - с выходом операционного усилителя, кроме этого выход интегратора через буферный усилитель соединен с входом элемента выборки и хранения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4