Измерительный преобразователь мощности

 

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения мощности постоянного и пульсирующего токов, а также активной мощности однофазного переменного тока. Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей - достигается путем получения выходного сигнала, пропорционального мощности постоянного и пульсирующего токов при любых комбинациях полярностей входных сигналов, а также мощности однофазного переменного тока. Преобразователь содержит измерительный шунт 1, резистивный делитель 2, модуляторы 3 и 4, генератор 5 коммутирующего напряжения, усилители 6 и 7 переменного тока, разделительные конденсаторы 8 и 9, инвертирующий повторитель 10 переменного напряжения, амплитудные модуляторы 11 и 15, сумматоры 12 и 16, выходной фильтрующий усилитель 13 постоянного тока, источник 14 эталонных разнополярных напряжений, интегратор 17 постоянного тока, компаратор 18 и одновибратор 19. Импульсы одновибратора можно не стабилизировать по длительности, что существенно упрощает преобразователь. 4 з.р. -лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЩЕЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (д) 4 G 01 R 21/00

), pl

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4373020/24-21 (22) 01.02.88 (46) 15.11.89 ° Бюл. ¹ 42 (71) Смоленский филиал Московского энергетического института и Витебское производственное объединение нЭлектроизмеритель" (72) М.Б.Лейтман, П.А.рыскина, И.M.Åôèìåíêo, P.È.Àãðåñò, A.È.Äèáåð, К.N.Попелев и Н.П.Тверитин (53) 621.317.38 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 771559, кл. G 01 R 21/00, 1976.

Описание прибора PCR 1000-2000

ENERTEC3 Франция, 1982. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

МОЩНОСТИ (57) Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения мощности постоянного и пульсирующего токов, а также активной мощности однофазного переменного тока.

Цель изобретения — повьппение точнос„„SU„„1522116 д1 ти и расширение функциональных возможностей — достигается путем получе ния выходного сигнала, пр опорционального мощности постоянного и пульсирующего токов при любых комбинациях полярностей входных сигналов, а также мощности однофазного переменного тока. Преобразователь содержит измерительный шунт 1, резистивный делитель 2, модуляторы 3 и 4, генератор 5 коммутирующего напряжения, усилители 6 и 7 переменного тока, разделительные конденсаторы 8 и 9, инвертирующий повторитель 10 переменного напряжения, амплитудные модуляторы 11 и 15, сумматоры 12 и 16, выходной фильтрующий усилитель 13 постоянного тока, источник 14 эталон разнополярных напряжений, интегратор 17 постоянного тока, компаратор 18 и одновибратор 19. Импульсы одновибратора можно не стабилизировать по длительности, что существенно упрощает преобразователь. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1522116

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для измерения мощности постоянного и пульсирующего тока, а также активной мощности однофаэного переменного тока.

Цель изобретения — повышение точности и расширение функциональных возможностей за счет получения выход- 10 ного сигнала, пропорционального мощ-. ности постоянного и пульсирующего тока при любых комбинациях полярностей входных сигналов, а также мощности однофазного переменного тока. 15

На фиг. 1 приведена функциональная схема измарите чьного преобразователя мощности, на фиг.2 — временные диаграммы.

Преобразователь содержит измерительный шунт 1, резистивный делитель

2, первый и второй модуляторы 3 и 4, генератор 5 коммутирующего напряже ния, первый и второй усилители 6 и 7 переменного тока, первый и второй разделительный. конденсаторы 8 и 9, инвертирующий повторитель 10 переменного напряжения, первь1й амплитудный модулятор 11, первый сумматор 12, выходной фильтрующий усилитель 13 по- 30 стоянного тока, источник 14 эталонных разнополярных постоянных напряжений, второй амплитудный модулятор

15, второй сумматор 16, интегратор

17 постоянного тока, компаратор 18 и одновибратор 19, причем выходы измерительного шунта 1 и резистивного делителя 2 соединены со входами модуляторов 3 и 4 соответственно, к выходам которых соответственно подключены 40 входы усилителей 6 и 7 переменного тока, управляющие входы модуляторов

3 и 4 соединены с выходами генератора 5 коммутирующего напряжения, выход усилителя 6 переменного тока через разделительный конденсатор 8 подключен к входу инвертирующего повторителя 10 переменного напряжения, выход которого соединен с сигнальным входом амплитудного модулятора 11, 50 выход амплитудного модулятора 11 и вход инвертирующего повторителя 10 переменного напряжения соединены со входами первого резистивного сумматора 12, выход которого соединен со входом фильтрующего усилителя 13 пос- 55 тоянного тока, выход усилителя 7 переменного тока через разделительный конденсатор 9 соединен с первым вхоПш ш

Напряжение Б„подается на вход пер- вого модулятора 3 постоянного напряжения в переменное, работой которого управляет генератор 5 коммутирующего напряжения. Выходное переменное напряжение модулятора 3 имеет в случае, когда входной ток I является постоянным, прямоугольную форму с равными полупериодами и амплитудой, равной Uö, т.е. (2) Пм1 — ш — Rø причем знак плюс или минус зависит от полупериода коммутирующего напряжения. Напряжение Uм, усиливается первым усилителем 6 переменного напряжения. Переменная составляющая Б-„» выходного напряжения U через разде3 лительный конденсатор 8, не пропускающий постоянную составляющую напряжения U» поступает на вход инвертирующего повторителя 10 переменного напряжения, имеющего коэффициент усиления — 1. Выходное переменное напряжение U повторителя 10 равно г дом резистивного сумматора 16, второй вход резистивного сумматора 16 соединен с первым выходом источника

14 эталонных разнополярных постоян— ных напряжений, а третий — с выходом амплитудного модулятора 15, сигнальный вход которого подключен ко второму выходу источника 14 эталонных разнополярных напряжений, к выходу сумматора 16 подключен вход интегратора 17 постоянного тока, к выходу которого подключен вход компаратора

18, выход которого соединен со входом одновибратора 19, выход которого соединен с управляющими входами амплитудных модуляторов 11 и 15.

Каждый из модуляторов содержит четыре управляемых ключа 20-23 (24-27) соединенных в мостовую схему, Генератор коммутирующего напряжения содержит триггер 28 Шмидта и счетный триггер 29.

Компаратор и одновибратор содержат триггер 30, RS-цепочку (31 и 32), и управляемый ключ 33.

Преобразователь мощности работает следующим образом.

Ток нагрузки I протекая через измерительный шунт 1, создает на его сопротивлении R падение напряжения

15221 (3) 5

U -У = +К„У „= +К14R i где К (— коэффициент усиления усилителя 6 переменного напряжения. Входное напряжение U создает на выходе резистивного делителя 2, состоящего из резисторов 34 (R;), 35 (Rg напряжение U)), определяемое выражением

П Rq/(R i+1 )).) КРг где К z R,/(R„+R ) — коэффициент передачи делителя 2.

Напряжение U модулируется вторым модулятором 4, выходное напряжение

U которого равно (5) 20

Uer= +П g = +К 0

04- К эП мг= + КтКз Бг (6) где К вЂ” коэффициент усиления уси9 лителя 7.

Напряжение U4 создает благодаря тому, что точка а интегратора. 17 постоянного тока потенциально заземлена, в резисторе 36 (R ) реэистивного сумматора 16 переменный ток i3, равный

i3 = U„„/k +К ФК,ЦВЗ (7)

Через резистор 3? (R4). сумматора 16 протекает постоянный ток 14, создаваемый выходным напряжением U, 1 источника 14 эталонных разнополярных постоянных напряжений. Пусть напряжение U „,,отрицательное. Ток I4 равен

55 (S) I< = U()„, /R4 = const

Резистор 3? выбирается таким образом, что ток 1 4 превышает I > при

Модулятор 4 управляется генератором 5 коммутирующего напряжения. Если входное напряжение U является постоянным, т.е. не содержит высших гармоник, напряжение U, как и U „, при

25 таком же условии, имеет прямоугольную форму с равными полупериодами.

Это напряжение усиливается вторым усилителем 7 переменного тока, выходное напряжение U4. которого содержит постоянную и переменную Ud„состав-. ляющие. Последняя, повторяющая по форме напряжение U, пропускается разделительным конденсатором 9 на .первый вход резистивного сумматора 35

16 . Для этой составляющей имеем

16 всех возможных значениях входного напряжения U.

Через третий резистор 38 (R<) сум" матора 16 ток не протекает, если амплитудный модулятор 15 подключает этот резистор к общей точке схемы.

Этот такт работы устройства назовем первым .

Во втором такте амплитудный модулятор 15 подключает резистор 38 к положительному постоянному напряжению U „ q, вырабатываемому источником 14 эталонных разнополярных постоянных напряжений. Через резистор

38 при этом протекает ток I равный г

1) о () / ы (9}

Резистор 38 выбирается таким образом, что ток 1 превышает сумму токов i и

I4 при всех возможных значениях напряжения U,ò.е.!

I 1 i l+ !I4! (10) Результирующий выходной ток сумматора 1б является входным током 1„ интегратора 17 постоянного тока. Во время первого такта напряжение U( на выходе интегратора 17, нарастая, изменяется по закону

U,(t) =U„. + — „а 1 г

1

- U„, + — ((,+г,) dt . (11) где U.„, — напряжение на выходе интегратора 17 при t = О. Приращение напряжения U„sa время t = t „равное длительности.первого такта, равно

41 аи„,=U„(t) — и„, -- (. ((,+г,)dt ()г)

1 о

При t = t, напряжение U„ достигает уровня срабатывания компаратора 18.

Появляющийся при этом на его выходе импульс запускает одновибратор 19.

Выходное напряжение одновибратора управляет работой амплитудного модулятора 15, который с этого момента подключает резистор 38 к напряжению

+U „1 . Поскольку выполняется неравенство (10), результирующий выходной ток Х„ сумматора 16, являющийся входным током интегратора 17, изменяет свое направление, в результате чего . выходное напряжение U интегратора 17 начинает уменьшаться. Длительность

1522116 (14)

Т= t1+ tM

30 получаем

UonnR 5

ОП1 4 И

Uan Rg

onя 4 и (17) янная составляющая частоты и

55 (18) tv !Тмпкс

К1 К 3 5

Пср

UengR з tè импульса, вырабатываемого одновибратором 19, определяется его параметрами и равна t„. Изменение напряжения на выходе интегратораdUц за время к определяется по аналогии с (11) и (12) выражением н

Н

dU = — ) idt= — (I -I з*) (13)

° 10

По окончании импульса одновибратора 19 амплитудный модулятор 15 переключается в исходное положение, входной ток интегратора Х„ принимает первоначальное значение I = i +I

k и напряжение на выходе интегратора

17 снова начинает нарастать в соответствии с выражением (11) . В дальнейшем процессы в схеме повторяются, причем период Т работы схемы равен

Приращение напряжения U „ во время первого такта ДБ и„равно .уменьшению

DU < во время второго. Приравнивая (12) и (13), учитывая, что

Фц +и

1 и решая относительно частоты Х =—

Т

Т Т, е.„ т

"де зср = Т ос сред о риод Т работы схемы значение тока

Подставляя в (15) значения х, 1 из (7) — (9) находим

К2

Пср оп R3 и (16), 45 т

1 где U = — U dt среднее за период

Т о

Т работы преобразователя значение

50 входного напряжения U; постоянная составляющая переменная составляющая f.

Знак f в формуле (16) меняется с частотой f генератора 5 коммутирующего напряжения, причем в тот полупериод, когда U„»= К KzU отрицательно, направления токов i > и I совпадают, и частота f возрастает (К в формуле (16) имеет знак плюс), при изменении полярности U (т,е. в другой полупериод) частота 1 уменьшается (f в формуле (16) имеет знак минус). Параметры преобразователя выбираются таким образом, что частота

f значительно превышает частоту коммутации Е„, а также частоту наиболее высокочастотной составляющей в кривых входных напряжения Б и тока I.

Выходное переменное напряжение U < инвертирующего повторителя 10 переменного напряжения, имеющее частоту

f„, подается на сигнальный вход амплитудного модулятора 11, управляемого выходным напряжением одновибратора 19. Во время второго такта, т.е. когда на выходе одновибратора

19 действует импульс, амплитудный модулятор 11 подключает точку 8 к выходу инвертирующего повторителя

10 переменного напряжения, т.е. напряжение U+ a точке 8 - равно U<„ Bo время первого такта амплитудный модулятор 11 подключает точку 6 к общей точке, т.е. U = О. Следовательно, напряжение в точке представляет собой последовательность импульсов длительностью t „ с амплитудой, равной значению 0 в соответствующие моменты времени. Для случая, когда входные напряжение U и ток I постоянные, и для принятых на фиг.2 полярностей временные диаграммы напряжений U, (С), U,(t), U„(t) и

U (t) показаны на фиг.2а-г.

Как видно из фиг.2г, постоянная составляющая напряжения U g(t) в разные полупериоды коммутирующего напряжения не остается неизменной. В первый полупериод (U; (t) 7 С; U (t) <О, V „(t) 1 О) 1 в формуле (16) имеет место знак минус, поэтому частота f

1 минимальна (Т = — = Т ) и постомс vñ

U =Пр, = -Б „й„ „= отрицательна и невелика (фиг. 2д).

Во второй полупериод.частота f мак15221

15

25

U Оп R5

U5cp = !! 1! 2

0n k

35 (+11) (+ ), (21)

Па 1 1 3 симальна (Т = —. = Т„,„; f = f„ „, ) и постоянная составляющая П6 2 является положительной и равна U6

11 2 t ц f ìàêñ 11 2 t!d Т ми и 11 6 сУ f (фиг.2д). Следовательно, постоянная составляющая U< напряжение U)(t) за период T„ коммутирующего напряжения, как это видно из фиг .2г не, равна нулю.

Найдем значение U6, . Постоянная составляющая U> за период Т выходных импульсов одновибратора 19 равна т и

U = — U dt = — U dt

1 1

«р Т 6 Т .В О и о — — Uqdt = t„ f Uq (19) си и

ГДЕ U 2 c p = — U dt — СРЕДНЕЕ За

"И а время .t, значение напряжения U2(t) .

Поскольку частота f значительно превышает частоту наиболее высокочастотных гармоник входных сигналов U u можно полагать, что в течение времеt!! U2 =U 2cp= const H U бср U (20) где U 2 — мгновенное значение напряжения U4, соответствующее рассмат/ риваемому периоду Т.

Подставляя в (20) значения f из (16) и учитывая (3), .получаем

Однако наличие низкочастотного первого слагаемого в (21) требует существенного увеличения постоянных времени и снижения быстродействия усилителя 13. С помощью сумматора 12 первое слагаемое (21) полностью компенсируется и на вход усилителя 13 не проходит. Действительно, на первый вход сумматора 12 подается напряжение U, = -U 2. Это напряжение создает на входе усилителя 13 переменное наU = U

R„

1<

6 (23) 7 В

Ев,k, — сопротивления резисторов 39 и 40 сумматора 12, R — входное сопротивлепие усиВх wc лителя 13.

Первое слагаемое (21) создает на входе усилителя напряжение х ПОЛ! R5

U0n2 R4 7

16 10 ки перед U u i всегда изменяются одновременно.

Если напряжение Б6 подать на фильтрующий усилитель 13 постоянного тока. последний подавит первое слагаемое, переменную составляющую второго и выделит постоянную составляющую, пропорциональную средней мощности Р, т.е. измеряемой величине т, P = — Uidt

1 (22)

Тк о

40 д Uond Rg

1- dn 2 1 $ (25) 55 поскольку вследствие малости Т можно полагать U ср =U.

Выберем Т, (фиг.2) равным или в целое число раз превышающим период самой низкочастотной гармоники входных сигналов U u I. Тогда первое слагаемое (21), пропорциональное переменному напряжению Б2, также представляет собой переменное напряжение, имеющее частоту коммутации и постоянной составляющей не содержит. Если входные напряжения и ток являются постоянными, первое слагаемое Б 6, представляет собой переменное напряжение прямоугольной формы с равными полупериодами (напряжение 1!6 на фиг.З,д). Произведение (4.П) (+i), входящее во второе слагаемое (21), пропорционально мгновенному значению

P измеряемой мощности, поскольку знаU„! Rg Rn (24)

11 оп а 1 4 R 7

Поскольку напряжения U и Б имеют разные знаки, условием их полной компенсации является равенство модулей обоих напряжений, приравнивая (23) и (24) по модулю, получаем условие полной компенсации

Следовательно, выходное напряжение U вв!х (YoK I вых) фильтрующего уси лителя 13 постоянного тока пропорционально постоянной составляющей (21) и определяется выражением

"к и =К вЂ” |U dt -=

Вчх В T ) 6 ср

О

=К -- Uidt = K5P.

1 тк (26)

5 Т„

11 15221 где К - коэффициент преобразования постоянной составляющей напряжения

U ..сумматором 12 и фильтрующим усилителем 13

Кз К К " КаБ ы к/® омВз)

Как видно иэ (26), выходное напряжение устройства пропорционально мощности измеряемой цепи и не зависит оТ длительности г.„ импульсов, вырабатываемых одновибратором 19. Благодаря этому импульсы одновибратора можно не стабилизировать по длительности, что существенно упрощает преобразователь. От длительности t„ как видно из,.(25) не зависит также и условие полной компенсации (25) переменной составляющей напряжения Ь

2О

Формула из обр етения

1. Измерительный преобразователь .мощности, содержащий измерительный 25 шунт, включенный последовательно с нагрузкой, одновибратор, первьй амплитудный модулятор и выходной фильтрующий усилитель постоянного тока, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения. функциональных возможностей, в него введены подключенный параллельно измеряемой цепи реэистивный дели-. тель, один из выходных зажимов кото35 рого соединен с выводом измерительного шунта., два модулятора, генератор коммутирующего напряжения, два . усилителя переменного .тока, два разделительных конденсатора, инверти- 40 рующий повторитель переменного напряжения, два сумматора, источник эталонных разнополярных постоянных напряжений, второй амплитудный .модуля« тор, интегратор и компаратор, причем вход первого амплитудного модулятора подключен к измерительному шунту, а вход второго — к выходу резистивного делителя, выходы генератора коммутирующего напряжения соединены с управляющими входами модуляторов, входы первого и второго усилителей переменного тока подключены к выходам соответствующих модуляторов, вход инвертирующего повторителя переменного на- 5 пряжения через первый разделительный конденсатор подключен к выходу первого усилителя переменного тока, а выход соединен с сигнальным входом пер16

12 ного амплитудного модулятора, первый вход первого резистивного сумматора соединен с. входом инвертирующего повторителя переменного напряжения, второй вход — с выходом первого амплитудного модулятора, а выход — с входом выходного фильтрующего усилителя постоянного тока, первый выход источника эталонных разнополярных постоянных напряжений соединен с сигнальным входом второго амплитудного модулятора, первый вход второго реэистивного сумматора через второй разделительный конденсатор подключен к выходу второго усилителя переменного тока, второй вход — к второму выходу источника эталонных разнополярных постоянных напряжений, а третий — к выходу второго амплитудного ".".здулятора выход интегратора постоянного тока соединен с входом компаратора, выход которого соединен со входом одновибратора, вход интегратора постоянного тока соединен с выходом второго резистивного сумматора, а к выходу одновибратора подключены управляющие входы обоих амплитудных модуляторов.

2. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что каждый из модуляторов содержит четыре управляемых ключа, соединенных в мостовую схему, а усилители переменного тока выполнены с дифференциальным входом.

3.. Преобразователь по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что генератор коммутирующего напряжения содержит триггер Шмидта и подключенный к его выходу триггер со счетным входом, выходы которого являются выходами генератора коммутирующего напряжения.

4. Преобразователь по п. 1, .о тл и ч а ю шийся тем, что компаратор и одновибратор содержит RS триггер, вход установки в "1" которого подключен к выходу интегратора постоянного тока, и RS-цепь интегрирующего типа, вход которой соединен с прямым выходом триггера являющимся выходом одновибратора, а выход подключен к входу установки в "О" триггера, причем параллельно конденсатору RS-цепи подключен управляеьый ключ, управляющий вход которого соединен с выходом триггера таким образом, что при единичном состоянии триггера ключ разомкнут, 14

1522116

5. Преобразователь по и. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что выходной фильтрующий усилитель постоянного тока выполнен с гальваническим разделением входной и выходной цепей.

sj o

"1ер игр

Составитель С.Сафохин

Редактор Н. Горват Техред Л. Олийнык Корректор М.Пожо

Заказ 6954/41 Тираж 714 Подписное

ВНИИПИ Госупарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Произволстненно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,10!