Вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги або струму

Измерительный преобразователь сигна лов переменного напряжения или тока, со держащий калиброванный резистор, который шунтируется в случае контроля тока, трансформатор тока, повторитель напряжения, резистор обратной связи, причем последовательно соединенные калиброванный резистор и первичная обмотка трансформатора тока подключены •< входным зажимам преобразователя, начало вторичной обмотки трансформатора тока соединено с выходным зажимом преобразователя и через резистор обратной связи - с земляной шиной, конец вторичной обмотки трансформатора соединен со входом повторителя напряжения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что введен элемент Холла, выходные зажимы которого подключены к входу и выходу повторителя напряжения. Винахід стосується інформаційно-вимірювальної техніки та може бути використаний як вхідний нормальний пристрій, який забезпечує гальванічне розділення вимірювальних кіл перетворювачів електричних величин промислової електромережі (змінні напруга та струм, активна і реактивна потужності, тощо) від к!л енергетичних об'єктів, параметри яких контролюються. Відомо про вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги чи струму, що містить вхідний резистор, трансформатор струму з первинною та вторинною обмотками, перетворювач Холла, підсилювач напруги, резистор зворотнього зв'язку, перемичка, що необхідна для шунтування вхідного резистора у випадку вимірювання струму та джерело зразкового струму. Недоліками даної схеми є - низька точність перетворення контрольованого сигналу, зумовлена недо статнім значенням коефіцієнту передачі підсилювача напруги; - ефект звуження діапазону зміни вихідного сигналу, який виникає внаслідок появи значної постійної напруги зміщення, характерної для підсилювачів напруги з ве ликим коефіцієнтом передачі. Найближчим до винаходу з технічної точки зору с перетворювач [2], який містить калібрований резистор, трансформатор струму з первинною та вторинною обмотками, причому кінець останньої з'єднано з початком індикаторної обмотки кінець якої підімкнений до виходу операційною підсилювача, виконаного за схемою повторювана напруги, а саме вихід с о о 6190 операційного підсилювача з'єднано з інверсним входом останнього, а початок вторинної обмотки підімкиено до виходу перетворювача та резистора зворотного зв'язку. 5 Відомий вимірювальний перетворювач працює так. Внаслідок протікання вхідного струму І1, через первинну обмотку в осерді із трансформатора струму створюється магнітний потік Фі, який зумовлює виникнення е.р.с. у вторинній та Індикаторній обмотках. Внаслідок цього у вторинній обмотці 15 виникає струм І2, який створює власний магнітний потік Фг , замкнений через те ж осердя трансформатора струму, причому Фі „Q напрямлений назустріч до Фі . Результуючий потік АФ1= Ф1-Ф2. який характеризує втрати в осерді та обмотках трансформатора струму, компенсується 25 дією вхідного струму повторювача напруги з коефіцієнтом передачі, рівним одиниці, котрий створює компенсаційний потік ДФ'=АФ. Оскільки ВИХІДНИЙ опір по- ^ Q вторювача дуже малий, то Індикаторна обмотка шунтує вторинну обмотку та резистор зворотнього зв'язку. Таким чином е.р.с. вторинної обмотки дорівнюватиме нулю, що у випадку близького до одиниці коефіцієнту 25 передачі повторювача означає встановлення ІАФ'-АФІ-* 0, тобто режиму результуючого нульового магнітного потоку в осерді трансформатора струму. Комплексна похибка перетворення 4 ^ прототипу, яка виникає внаслідок впливу неідеальностей трансформатора струму та повторювача напруги, визначається з виразу 45 є і2 1/Zax), + R3) • (1 - Кпн/(2з (1) 50 Yi,Yi< Lp2, Lp3 - активні опори та Індуктивності ро^гЛшвання вторинної(\Л/г) та Індикаторної (\Л/з) обмоток трансформатора 55 струму; £ос - комплексний опір втрат намагнічувального контура осердя трансформатора; R3 - опір резистора; Кпи," ZBX - комплексні коефіцієнти передачі та вхідний опір повторювача напруги. Одним Із суттєвих недоліків прототипу є залежність значення єіг від параметрів Індикаторної обмотки трансформатора струму. Це особливо важливо для схем, в яких використовуються дві категорії трансформаторів: малогабаритні та Із розімкиутим осердям (дня застосування у вимірювальних кліщах струму та потужності). У випадку малогабаритних трансформаторів важко досягти високої точності вимірювання через те, що неможливо забезпечити порівняно велике значення відношення кількості витків вторинної обмотки до КІЛЬКОСТІ витків Індикаторної обмотки (W2/W3). У виробах Із розімкнутими осердями практично неможливо забезпечити оптимальне число витків \А/з, внаслідок великого розкиду параметріо окремих осердь внаслідок конструктивно-технологічних труднощів. Таким чином, недоліком прототипу є низька точність перетворення в схемах з малогабаритними І кліщовими трансформаторами. В основу винаходу поставлене завдання створення вимірювального перетворювача сигналів змінної напруги чи струму, в якому внаслідок зміни принципу регулювання результуючого магнітного потоку в осерді трансформатора струму підвищується точність перетворення. Це завдання розв'язується завдяки тому, що у вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги чи струму, котрий містить калібрований резистор, який шунтується у випадку контролю струму, трансформатор струму, повторювач напруги, резистор зворотнього зв'язку, причому послідовно з'єднані калібрований резистор І первинна обмотка трансформатора струму підімкнені до вхідних затискачів перетворювача, початок вторинної обмотки трансформатора струму з'єднано з вихідним затискачем перетворювача, а через резистор зворотного зв'язку - Із земляною шиною, кінець вторинної обмотки трансформатора лідімкнено до входу повторювача напруги; введено перетворювач Холла, вихідні затискачі якого підключені до входу та виходу повторювача напруги. Таким чином в запропонованому пристрої замість Індикаторної обмотки, котра служить чутливим елементом для виділення сигналів, пропорційних до різниці 6190 магні тних потоків Фі і Фг, де Фі - потік, який створюється внаслідок протікання вхідного струму через первинну обмотку в осерді трансформатора струму, а Фг - влас- 5 ний потік вторинної обмотки, замкнений через те ж осердя трансформатора струму, в и к о р ис т ан о п е р е т во рю ва ч Хол л а, розташований в проміжку осердя трансф орма тор а стру му . Живл ення I Q перетворювача Холла здійснюється від джерела опорного струму. О гримані нові взаємозв'язки відомих елементів дали можливість підвищити у 1,5 рази точність перетворення сигналів, що 15 контролюються. Це в кінцевому результаті спричиняється до економії електроенергії внаслідок ефективнішого обліку її при використанні запропонованого перетворювача у складі Інформаційно-вимірювальної систе- 20 ми контролю електричних величин промислової мережі. На ф і г. 1 зображена схема зап ропон ованого вимірю вал ьн ого перетворювача сигналів змінної напруги чи 25 струму, а на фіг. 2 -- його еквівалентна схема. Вимірювальний перетворювач сигналів змінної напруги чи струму містить вхідний резистор 1, трансформатор 2 струму з первинною 3 та вторинною 4 обмотками, зо пере творювач 5 Холла, п овторювач 6 напруги, резистор 7 зворотного зв'язку. Послідовно з'єднані вхідний резистор 1, котрий шунтується у випадку контролю вхідного струму перемичкою 8, та первинна 35 обм отка 3 трансф орматора 2 стру му підімкнені до вхідних затискачів (клем) перетворювача. Початок вторинної обмотки 4 трансформатора 2 струму з'єднаний з в их і д н им з ат и с ка ч е м ( кл е мою ) 40 перетв орю вача та че рез рез исто р 7 зворотного зв'язку Із земляною шиною. Джерело 9 опорного струму під'єднане до вхідних контактів перетворювача 5 Холла. Кінець вторинної обмотки 4 45 трансформатора 2 струму з'єднано з входом повторювача 6 напруги. Вихідні затискачі (клеми) перетворювача 5 Холла під'єднані до входу та виходу повторювача 6 напруги. 50 У конкретно реалізованому перетворювачі як перетворювач 5 Холла і п і д сил ю вач 6 в и ко рис т а ні ві д п ові д н о перетворювач Холла типу Х511 (див. В.В. брайко, И.П. Гринберг и др. Гальваномаг- 55 нитные преобразователи в измерительной технике. - М.: Энергоатомиздат, 1984, с. 252) та мікросхема К153УД5А (див. В.И. Щербаков, Г.И. Грездов. Сп равочник. 6 Электронные схемы на операционных усилителях. - К.. Техніка, 1983, с. 6) Джерело 9 опорного струму може бути реалізоване з використанням послідовно з'єднаних джерела зразкової напруги та схеми керованого джерела струму (див. книгу В.И. Щербакова, Г.И. Грездова, рис. 7.86 та рис 7.9а, с 130-131). У випадку шунтування перемичкою 8 резистора 1 запроектований перетворювач працює з вхідним орумом И, котрій створює магнітний потік Ф і. Останній впливає на вторинну обмотку 4 трансформатора 2 струму та перетворювач 5 Холла таким чином, що сприяє появі спадів напруги на н их . В н а сл і д о к вп л и ву ві д ' єм н о г о зворотного зв'язку повторювач 6 напруги забезпечує відповідне значення вихідного струму, що спричиняє встановлення нульового сп адку напруги на виході перетворювача 5 Холла. Таким чином, магнітний потік Ф 2, котрий виникає завдяки стру му І 2 через вторинну обм отку 4 трансформатора 2 струму, компенсує потік Фі. Отже згідно до еквівалентної схеми (фіг. 2). (2) Використовуючи закон Кірхгофа для контурів, отримаємо після нескладних перетворень (3) +£ц ДЄ Ё и + Якщо прийняти IZ2 RaH 500 Ом; l ^oc h = 1 0 00 Ом; I Z B X I = 2 - 1 07 Ом; І Кпм І= =0,9999; ун= 104 Ом, то із порівняння ІF 12 І є Г21 та І £і 11 отримаємо -г—--, -1,5. Це дає змогу стверджувати, що зап ропон ован ий вим і рю в ал ьн ий перетворювач забезпечує вищу точність вимірювання, порівняно до аналогічних, внаслідок застосування перетворювача Холл а я к І нд и к а т о р а ос т а н о в л е н ,я результуючого нульового магнітного потоку в осерді трансформатора струму я 6190 4=3 1 V,