Вимірювальний перетворювач амплітуди трифазної змінної напруги в постійну напругу (варіанти)

Реферат: Винахід належить до галузі електротехніки, зокрема до вимірювальних перетворювачів електричних та магнітних величин і може бути використаний в системах автоматичного управління, зокрема в системах управління електроприводом, в якому застосовані трифазні двигуни. Вимірювальний перетворювач амплітуди трифазної змінної напруги в постійну напругу містить три узгоджуючі пристрої напруги, які підключені до входів трьох фільтрів, причому виходи цих фільтрів підключені до обох входів трьох перемножувачів напруги, суматор, до входів якого підключені виходи перемножувачів напруги, причому вихід суматора підключений до входу вузла добування кореня квадратного з напруги. За рахунок введення додаткових узгоджуючого пристрою напруги, згладжуючих фільтрів, перемножувала напруги та вузла добування кореня квадратного з напруги та їх зв'язків винахід забезпечує розширення функціональних можливостей перетворювача та підвищення його швидкодії. UA 98670 C2 (12) UA 98670 C2 UA 98670 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі електротехніки, зокрема до вимірювальних перетворювачів електричних та магнітних величин. Винахід може бути використаний у системах автоматичного управління, зокрема у системах управління електроприводом, в якому застосовані трифазні двигуни. Відомий пристрій для перетворення змінної багатофазної напруги у постійну [патент Росії, № 2145765, МПК Н 02М 7/06, Н 02М 7/08, 2000 р]. Він містить конденсаторно-діодні мости, кількість яких дорівнює числу фаз вхідної напруги. Мости виконують роль випрямлячів та фільтрів, а схема перетворювача побудована таким чином, що вихідні струми мостів додаються один до одного на навантаженні пристрою. Цей перетворювач не забезпечує високої точності перетворення, що пояснюється наявністю на виході змінної складової напруги, а також не забезпечує високої швидкодії, що пояснюється значною інерційністю фільтрів, які призначені для усунення гармонік, близькими за частотою до основної. Відомий пристрій для визначення параметрів режиму трифазної мережі з полігармонійними напругою та струмом [патент України № 71354, МПК G 01 R 21/00, G 01 R 21/06, 2004 р], який містить давачі напруги і струму, з'єднані з аналого-цифровим перетворювачем, шестивходовий комутатор, ЕОМ, виходи якої з'єднані з керуючими входами комутатора, а також блоки відображення та зберігання інформації. Цей пристрій не дозволяє одержати значення деяких параметрів енергетичного режиму, наприклад, фазної напруги. Ще одним недоліком пристрою є те, що він не може працювати за деяких технічних умов. Такі умови виникають, наприклад, тоді, коли трифазне коло живиться напругою, отриманою в результаті широтно-імпульсної модуляції. Відомий також вимірювальний перетворювач потужності трифазних кіл [а. с. СРСР № 1004903, МПК G 01 R 21/00, 1983 p.], який містить дві пари узгоджуючих пристроїв напруги і струму, виходи яких попарно підключені до входів двох перемножувачів напруг, суматор та згладжуючий фільтр. Крім того, він містить інвертуючий підсилювач, вхід якого підключений до виходів перемножувачів напруг, а вихід - до одного з входів суматора, два інших входи якого з'єднані з виходами узгоджуючих пристроїв струму, а вихід - зі входом згладжуючого фільтра. Відомий пристрій не забезпечує високої швидкодії через інерцію згладжуючого фільтра, призначеного для усунення другої гармоніки основної частоти трифазного кола. Крім того, цей пристрій не може працювати за умов, коли трифазне коло живиться напругою, отриманою в результаті широтно-імпульсної модуляції. Це пояснюється тим, що за принципом дії пристрою-прототипу перемножувачі напруг комутуються з частотами, які функціонально пов'язані з фазними напругами трифазного кола. У разі живлення трифазного кола широтно-імпульсно-модульованою напругою, інформацію про значення фазної напруги неможливо отримати без фільтрації на вході. Отже, пристрій-прототип має обмежені функціональні можливості. В основу винаходу поставлена задача створення такого вимірювального перетворювача амплітуди трифазної змінної напруги в постійну напругу, в якому введенням нових елементів та зв'язків забезпечувалось би підвищення швидкодії та розширення функціональних можливостей перетворювача. Вирішення поставленої задачі має два варіанти. Поставлена задача за першим варіантом вирішується тим, що в пристрій, який містить два узгоджуючі пристрої напруги, два перемножувачі напруг, суматор та згладжуючий фільтр, згідно з винаходом, додатково введені узгоджуючий пристрій напруги, перемножувач напруг, два згладжуючі фільтри та вузол добування кореня квадратного з напруги, причому виходи узгоджуючих пристроїв напруги з'єднані з входами згладжуючих фільтрів, виходи кожного з яких підключені до обох входів перемножувачів напруг, виходи перемножувачів напруг підключені до входів суматора, вихід якого підключений до входу вузла добування кореня квадратного. Поставлена задача за другим варіантом вирішується тим, що в пристрій, який містить два узгоджуючі пристрої напруги, два перемножувачі напруг, суматор і згладжуючий фільтр, згідно з винаходом, додатково введені узгоджуючий пристрій напруги, два згладжуючих фільтри та вузол добування кореня квадратного з напруги, причому виходи узгоджуючих пристроїв напруги підключені до входів згладжуючих фільтрів, вихід першого згладжуючого фільтра підключений до обох входів першого перемножувача напруг, виходи другого та третього згладжуючих фільтрів підключені до входів другого перемножувача напруг, вихід першого перемножувача напруг підключений до першого входу суматора, до другого входу якого через аналоговий інвертор підключений вихід другого перемножувача напруг, а вихід суматора підключений до входу вузла добування кореня квадратного. Підвищення швидкодії за першим варіантом забезпечується підключенням виходів згладжуючих фільтрів до входів перемножувачів напруг, а виходів перемножувачів напруг - до входів суматора, що дозволяє уникнути необхідності усунення гармонік, близьких за частотою 1 UA 98670 C2 5 10 15 20 25 30 35 до основної. Це пояснюється тим, що на виході суматора діє напруга, пропорційна сумарній миттєвій потужності трифазного кола, яка не залежить від часу, тобто вихідна напруга суматора не містить змінної складової. Саме тому перетворювач не потребує фільтрації гармонік, близьких за частотою до основної гармоніки трифазного кола. Завдання згладжуючих фільтрів, передбачених в складі винаходу - усунути гармоніки високої частоти, створені широтноімпульсною модуляцією, тому інерція цих фільтрів незначна. Підвищення швидкодії за другим варіантом забезпечується підключенням виходів згладжуючих фільтрів до входів перемножувачів напруг, а виходів перемножувачів напруг до входів суматора, одного безпосередньо, а другого через аналоговий інвертор, що дозволяє уникнути необхідності усунення гармонік, близьких за частотою до основної. Це пояснюється тим, що на виході суматора діє напруга, пропорційна сумарній миттєвій потужності трифазного кола, яка не залежить від часу, тобто вихідна напруга суматора не містить змінної складової. Саме тому перетворювач не потребує фільтрації гармонік, близьких за частотою до основної гармоніки трифазного кола. Завдання згладжуючих фільтрів, передбачених в складі винаходу усунути гармоніки високої частоти, створені широтно-імпульсною модуляцією, тому інерція цих фільтрів незначна. Наявність згладжуючих фільтрів, підключених між виходами узгоджуючих пристроїв напруги та входами перемножувачів напруг, забезпечує фільтрацію вхідної напруги перетворювача, а тому дає змогу виконувати вимірювальне перетворення в умовах широтно- імпульсномодульованої вхідної напруги перетворювача. На фіг.1 представлена схема електрична структурна перетворювача за першим варіантом; на фіг.2 представлена схема електрична принципова перетворювача за першим варіантом; на фіг.3 представлена схема електрична структурна перетворювача за другим варіантом; на фіг.4 представлена схема електрична принципова перетворювача за другим варіантом. Згідно з фіг. 1 перетворювач включає в себе три узгоджуючі пристрої напруги 1, 2 та 3, на входи яких подаються фазні напруги, а виходи яких підключені до входів трьох згладжуючих фільтрів 4, 5 та 6, які виходами підключені до входів перемножувачів напруг 7, 8 та 9, й при цьому виходи перемножувачів підключені до трьох входів суматора 10, вихід якого підключений до входу вузла 11 добування квадратного кореня з напруги. Працює перетворювач таким чином. Узгоджуючі пристрої напруги 1, 2 та 3 масштабують фазні напруги трифазного кола в к раз і подають свої вихідні сигнали на входи згладжуючих фільтрів 4, 5 та 6. Наявність цих фільтрів дозволяє перетворювачеві працювати в умовах, коли напруга живлення трифазного кола одержана шляхом широтно-імпульсної модуляції. Перемножувачі напруг 7, 8 та 9 підносять вихідні сигнали згладжуючі фільтрів до другого ступеня, створюючи таким чином сигнали, які додаються суматором 10. Корінь квадратний з вихідної напруги суматора добувається вузлом 11, на виході якого діє напруга, пропорційна амплітуді UM першої гармоніки вхідного сигналу перетворювача. Пояснимо принцип дії перетворювача. На його входах діють напруги Ua  U sin x   Ub  U sinx  2 / 3 . Uc  U sinx  4 / 3   40 Після масштабування в к разів, фільтрування, піднесення до другого ступеня та додавання вони утворять сигнал на виході суматора 10: 2 2 2 2 U10=k (Ua +Ub +Uc ). U10 = k 2 U2M [ sin  45 2 1 1 1  x + sin2 x - 2 / 3  + sin2 x - 4 / 3  ] = k 2 U2   cos 2x  2x - 4 / 3   cos2x - 8 / 3   2 2 2  3k 2 2 U . 2 Отже, на виході суматора діє напруга, значення якої не залежить від часу. Добування кореня з U10 створює вихідну напругу перетворювача Uвих  U10  kU  50 3 , 2 яка пропорційна амплітуді UM фазної напруги трифазного кола і не залежить від часу, тобто не містить змінних складових. Схема, показана на фіг.2, підтверджує можливість технічного здійснення винаходу. На схемі зображені три ідентичні функціональні групи. До входів функціональних груп подані фазні напруги UA, UB, UC, які потрапляють на входи узгоджуючих пристроїв напруги 1, 2 та 3, побудованих на операційному підсилювачі DA1. Виходи цих пристроїв з'єднані із входами 2 UA 98670 C2 5 10 15 20 згладжуючих фільтрів низьких частот 4, 5 та 6. Фільтри побудовані на операційному підсилювачі DA3. Крім того, до складу функціональних груп входять перемножувачі напруг 7, 8 та 9, створені, наприклад, на базі мікросхеми К525 ПСЗ. Виходи функціональних груп підключені до трьох входів суматора 10, побудованого на операційному підсилювачі DA6. Вихід суматора підключений до входу вузла 11 добування кореня квадратного з напруги, побудованого на операційному підсилювачі DA4 та перемножувачі напруг DA5. За другим варіантом (фіг.3.) перетворювач містить три узгоджуючі пристрої напруг 1, 2 та 3 напруги, виходами підключені до входів згладжуючих фільтрів 4, 5 та 6. Вихід згладжуючого фільтра 4 підключений до обох входів перемножувача напруг 7, виходи згладжуючих фільтрів 5 та 6 підключені до окремих входів перемножувача напруги 8. Вихід перемножувача напруг 8 через аналоговий інвертор 9 підключений до одного з входів суматора 10, до другого входу суматора підключений вихід перемножувача напруг 7. Вихід суматора підключений до входу вузла 11 добування кореня квадратного з напруги. Працює перетворювач таким чином. На входи узгоджуючих пристроїв напруги 1, 2 та 3 подаються фазні напруги трифазного кола, амплітуда яких дорівнює UM. В узгоджуючих пристроях вони масштабуються в k раз і подаються на входи згладжуючих фільтрів 4, 5 та 6. На виходах згладжуючих фільтрів 4, 5 та 6 діють напруги з частотою першої гармоніки напруги трифазного кола U4=k UM sin x, U5=k UM sin x - 2 / 3 , U6=k UMsin x - 2 / 3 . Вихід згладжуючого фільтра 4 підключено до входів перемножувача напруг 7, який виконує піднесення вихідної напруги фільтра до другого ступеня. Вихідна напруга перемножувача напруг 7 U7  k 2U2 sin2 x  k 2 25 U2   1 cos 2x . 2 Перемножувач напруг 8 утворює добуток вихідних напруг згладжуючих фільтрів 5 та 6 U8  U5  U6  k 2U2 sinx  2 / 3  sinx  2 / 3  U2   k2  1     cos 2x . 2  2  Суматор 10 разом з аналоговим інвертором 9 дозволяють отримати напругу U10  U7  U8  U2  30 Після добування кореня квадратного вузла 11 на виході перетворювача діє незалежна від часу напруга U11  U10  kU  35 40 45 k2  1 3k 2  . 1  cos 2x   cos 2x   U2  2  2 4  3 , 2 яка пропорційна амплітуді UM фазної напруги трифазного кола і не залежить від часу, тобто не містить змінних складових. Схема, показана на фіг. 4, підтверджує технічну можливість здійснення винаходу. На схемі зображені три ідентичні функціональні групи. Вони містять узгоджуючі пристрої 1, 2 та 3 побудовані на операційному підсилювачі DA1. На входи цих пристроїв подаються фазні напруги UA, UB, UC, а напруга з їх виходів подається до входів згладжуючих фільтрів 4,5 та 6, які побудовані на операційному підсилювачі DA2. Вихід однієї з функціональних груп підключений до обох входів перемножувача напруг 7, створеного, наприклад, на базі мікросхеми К525 ПС3. Виходи інших двох функціональних груп підключені до різних входів перемножувача напруг 8. Виходи перемножувачів напруг 7, 8 підключені до входів вузла 9 добування кореня квадратного з різниці напруг, побудованого на операційному підсилювачі DA5 та перемножувачі напруг DA4. Цей один вузол виконує функції, які можуть бути покладені на три вузли: аналоговий інвертор, суматор та вузол добування кореня квадратного з напруги. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 1. Вимірювальний перетворювач амплітуди трифазної змінної напруги в постійну напругу, який містить два узгоджуючі пристрої напруги, два перемножувачі напруги, суматор та згладжуючий фільтр, який відрізняється тим, що додатково введені узгоджуючий пристрій напруги, два згладжуючі фільтри, перемножувач напруги та вузол добування кореня квадратного з напруги, причому виходи узгоджуючих пристроїв напруги підключені до входів згладжуючих фільтрів, вихід кожного з яких підключений до обох входів перемножувачів напруг, виходи 3 UA 98670 C2 5 10 перемножувачів напруг підключені до входів суматора, вихід якого підключений до входу вузла добування кореня квадратного з напруги. 2. Вимірювальний перетворювач амплітуди трифазної змінної напруги в постійну напругу, який містить два узгоджуючі пристрої напруги, два перемножувачі напруги, суматор та згладжуючий фільтр, який відрізняється тим, що додатково введені узгоджуючий пристрій напруги, два згладжуючі фільтри, аналоговий інвертор та вузол добування кореня квадратного з напруги, причому виходи узгоджуючих пристроїв напруги підключені до входів згладжуючих фільтрів, вихід першого згладжуючого фільтра підключений до обох входів першого перемножувача напруг, виходи другого та третього згладжуючих фільтрів підключені до входів другого перемножувача напруг, вихід першого перемножувача напруг підключений до першого входу суматора, вихід другого перемножувача напруг через аналоговий інвертор підключений до другого входу суматора, вихід якого підключений до входу вузла добування кореня квадратного з напруги. 4 UA 98670 C2 5 UA 98670 C2 6 UA 98670 C2 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7