устройство для измерения электрических параметров

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.

Описание изобретения к патенту

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 = (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. /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(t-),(3) где I_m - амплитуда тока;

- фазовый сдвиг тока относительно напряжения сети ИЗ;

- 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 .

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_msint, (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(t- )K₂K₂₄U_msint- =

(7 )

На выходе интегратора 6 в момент t₅ (узел синхронизации работает как показано выше) формируется напряжение

U₆= - U₅dt = - sin (8)

Таким образом, на выходе элемента 8 выборки и хранения будет напряжение, пропорциональное реактивной мощности сети sin. 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 - tsin - sint_psin(2t₁+t_p-), из которого относительная погрешность измерения

= + sin(2t₁+t_p-) (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 = 0,110^-6300 = 3010^-6 с. Время t_p 3 = 90 мкс. Для надежности принимается t_p = 180 мкс.

Максимальная относительная погрешность

+ = 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.