Трансформатор постоянного тока

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокочувствительного быстродействующего измерителя постоянного тока с гальванической развязкой с цепью измеряемого тока. С целью повышения динамической точности в устройство введены фазосдвигающие элементы 20 и 21, элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 22, а ключи 27, 28 выполнены двухпозиционными. Входной сигнал через входные зажимы 13 и 14 поступает на обмотки 9-12 управления, и протекание тока в этих обмотках изменяет магнитную индукцию в ферромагнитных сердечниках 1-4, которая приводит к тому, что в обмотках 5-8 возбуждения появляется сигнал, который выделяется на резисторах 23-26. Обмотки 5, 6 питаются от генератора 19 переменного напряжения непосредственно, а обмотки 7, 8 питаются через элемент 20. Элементы 21 и 22 выделяют сигнал управления ключами 27 и 28, в результате на вход сумматора 29 поступает сигнал разбаланса сердечников 1, 2 и 3, 4. Интегратор 30 выделяет этот сигнал и через элемент 31 обратной связи передает на обмотки 15-18 обратной связи, он и компенсирует индукцию в сердечниках 1-4. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (И) 597755. A 1 (5Ц (." 01 )(!9/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ/ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

- 3>

Фиг 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

AQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯ)4

ПРИ ГКНТ СССР

Г21) 4453148/24-21 (22) 01. 07. 88 (46) 07. 10. 90. Бюл. Р 37 (71) Челябинский политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) Г.В.Суворов, О.И.Осипов, С.В.Гербер и С.И.Бутаков (53) 621.317.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1056068, кл. r. 01 К 19/20, 1982.

Авторское свидетельство СССР

Р 1275305, кл. О 01 R 19/20, 1985, (54) ТРАНСФОРИАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА (57),Изобретение относится к электро измерительной технике и может быть использовано в качестве высокочувствительного быстродействующего измерителя постоянного тока с гальваничес-.. кой развязкой с цепью измеряемого тока. С целью повьппения динамической точности в устройство введены Аазо сдвигакв(ие элементы 20 и 21, элемент

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 22, а ключи 27, 28 выполнены двухпозиционными. Входной сигнал через входные зажимы 13 и 14 поступает на обмотки 9-12 управления, и протекание тока в этих обмотках изменяет магнитную индукцию в ферромагнитных сердечниках 1-4, которая приводит к тому, что в обмотках 5-8 возбуждения появляется сигнал, которьп» выделяется на резисторах 23-26.

Обмотки 5, 6 питаются от генератора

1.9 переменного напряжения непосредственно, а обмотки 7, 8 питаются через элемент 20. Элементы 21 и 22 выделяют сигнал управления ключами 27 и 28, в результате на вход сумматора 29 поступает сигнал раэбаланса сердечников 1, 2 и 3, 4. Интегратор 30 выделяет этот сигнал и через элемент

31 обратной связи передает на обмотки

15-18 обратной связи, он и компенсирует индукцию в сердечниках 1-4.

3 ил.

1597755

Изобретение относустся к электроизмерительной технике и может быть использовано в качестве высокочувствительного быстродействующего измери-. теля постоянного тока с гальваничес5 кой развязкой между цепью измеряемого тока и выходом устройства.

Цель изобретения — повышение динамической точности.

На фиг. 1 представлена функциональная схема трансАорматора постоянного тока; на фиг. 2 и 3 — временные диаграммы сигналов.

Трансформатор постбянного тока (фиг. 1) содержит четыре Аерромагнитных сердечника 1 — 4, каждый из которых имеет обмотки S — 8 возбуждения, обмотки 9 — 12 управления, согласно и последовательно соединенные с вход- 20 ными зажимами 13 и 14, обмотки 15

18 обратной связи, генератор 19 переменного напряжения, фазосдвигающие элементы 20 и 21, элемент ИСКЛ10ЧАКИ ЕЕ

ИЛИ 22, резисторы 23-26, двухпозицнонные ключи 27 и 28, сумматор 29, интегратор 30, элемент 31 обратной связи, выходной зажим 32 устройства и шину 33 нулевого потенциала, причем начало обмотки 15 обратной связи соедине3 но с шиной 33 нулевого потенциала, обмотки 15 — 18 обратной связи соединены между собой согласно и последовательно, конец обмотки 18 обратной связи через элемент 31 обратной связи соединен.с выходным зажимом 32 и выходом интегратора 30 вход которого соединен с выходом сумматора 29.

Начало обмотки 5 возбуждения соединено с концом обмотки 6 возбуждения, 40 первым выходом генератора 19 переменного напряжения, входом Аазосдвигающего элемента 20 и первым входом элемента ИСКЛЛЧА10ЩЕЕ ИЛИ 22, второй вход которого соединен с началом и концом обмоток 7 и 8 возбуждения соответственно и выходом Аазосдвигающего элемента 20. Конец обмотки 5 возбуждения соединен с вторым выводом резистора 23 и первым входом двухпозиционного ключа 28, второй вход

50 которого соединен с концом обмотки

7 возбуждения и вторым выводом резистора 25, начало обмотки 6 возбуждения соединено с вторым выводом .резистора 24 и первым входом двухпо-,55 зиционного ключа 27, второй вход которого соединен с началом обмотки 8 возбуждения и вторым выводом резистоРа 26 выход элемента ИСКЛ1ЯА1п1иЕЕ

KIN 22 через фазосдвигающий элемент,, 21 соединен с управляющими входами двухпозиционных ключей 27 и 28, выходы которых соединены с неинвертирующим и инвертирующим входами сумматора 29 соответственно. Первые выводы резисторов 23 — 26 и второй выход генератора 19 переменного напряжения соединены с шиной 33 нулевого потенциала. Обмотки 15 — 18 включены встречно обмоткам 9 — 12 уйравления.

ТрансАорматор постоянного тока работает следующим образом.

Согласно соединенные обмотки 5 и б возбуждения сердечников 1 и 2 совместно с резисторами 23 и 24 образуют собой первый измерительный мост, одна диагональ которого получает питание от генератора 19 переменного напряжения, например прямоугольного напряжения U „(t) (фиг. 2 и За), а с измерительной диагонали снимается измеряемый сигнал YZ(t) 2(Второй измерительный мост образован обмотками 7 и 8 возбуждения сердечников 3 и 4 и резисторами

25 и 26, одна диагональ которого получает питание от фазосдвигающего элемента ?О, Аормирующего переменное напряжение прямоугольной Аормы 02() (Аиг. 2 и Зб), сдвинутое во времени относительно напряжения U,(t) на четверть периода, а с измерительной диагонали этого моста снимается измеряемый сигнал

6(При отсутствии входного постоянного тока устройства X(t) = 0 (Аиг.2) и воздействии на обмотки 5 и б возбуждения через резисторы 23 и 24 прямоугольного переменного напряжения U„(t) индукции В,(t) в сердечнике 1 и В 2() в сердечнике ? изменяются по линейному закону, достигая уровня насыщения сердечников

+ В в моменты t gg tg t gg изменения полярности напряжения U, (t) (Аиг. 2в) .

Раве нс TBo темпов и зме не ния В, (t ) и

В «(t ) может быть дос тиг нут о с оотв етствующим выбором параметров резисторов 23 и 24.В соответствии с равенством текущих значений токов намагничивания, протекающих через обмотки

5 и 6 возбуждения и резисторы 23 и 24, 97755 6

45 прежде чем произойдет изменение полярI ности напряжения U (t) генератора 19.

В сердечнике 1 индукция В1() за этот же полупериод напряжения 11, (t) уровня насыщения достигнуть не сможет (фиг. Зв) . В соответствии с изменениями индукций В (t) и B (с) в положительный полупериод напряжения U <(t) токи намагничивания, протекяюг ие через резисторы ?3 и 24, будут сущест55 венно различаться ме:щу собой таким образом, что в пределах времени .С ...С ток намагничивания в обмотке

6 возбуждения будет мень|не, чем в об5 15 падения напряжения на резисторах равны между собой, т.е, Y (t) = Уд(t) (фиг. 2а) . В результате напряжение на измерительной диагонали первого моста У (t) будет равно нулю. Аналогичным образом при X(t) = 0 и воздействии на обмотки 7 и 8 возбуждения через резисторы 25 и 26 прямоугольного напряжения U z(t) индукции

Вэ (С) в сердечнике 3 и В (t) в сердечнике 4 также изменяются по линейному закону, достигая уровня насыщения сердечников + В в моменты

t <+ изменения полярности напряжения

1Jq(t) (фиг. 2г). При равенстве текущих значений токов намагничивания, протекающих через обмотки 7 и 8 возбуждения и резисторы 25 и 26, падения напряжения на резисторах равны между собой, т.е. Y<(t) = Y<(t) (фиг. 2б).

В результате напряжение на измерительной диагонали второго моста () также будет равно нулю, Наличие элемента ИСКЛИЧА1)ЩЕР ИЛИ 22, а также фазосдвигающего элемента 21 позволяет формировать на выходе фазосдвигающего элемента ? 1 сигнал управления

У 1() (фиг. 2 и Зд) двухпозиционными . ключами 27 и 28. При нулевом уровне управляющего сигнала У (t) в пределах времени

t g t, (фиг. 2 и Зд) к входам сумматора ?9 через двухпозиционные ключи 27 и 28 поданы напряжения у,(t) и Y (t) с.измерительной диагонали первого моста, а при ненулевом сигна- ле Y>(t) в пределах времени о,...й,, (< Iã. ? и Зд) напряжения Y (t) и > (1) с измерительной диагонали второго моста. Равенство сигналов Y,(t) и у <(t), а также

Y g(t) и > (t), встречно склядываюг ихся на входе сумматора 29, обуславливает на его выходе сигнал ""з()

= YI(t) - У () = О я.пределах лремеНИ f ° ° t4) tI ° 1t !бз 2 f) t 15 И

Yg(t) = Yq(t) - Y+(t,1 = 0 в пределах времени ° ° ° < < q ° ° ° "-р

При наличии входного постоянного тока X(t) Ф 0 (фиг. 3) на входных зажимах 13 и 14 устройства характеристики намагничивания ферромагнитных сердечников i — 4 под действием тоха через последовательно и согласно включенные обмотки 9 — 12 управления смещаются в равной степени относи тельно нулевого уровня напряженности магнитного поля ферромагнитных сердечников. При этом sa счет встречного включе.ия обмоток 5 и 6 возбуждения относительно точек подключения генератора 19 переменного напряжения., перемагничивание ферромагнитных сердечников 1 и 2 в различные полупериоды переменного напряжения U (t) бу1 дет отличаться, а также будет отличаться перемагничивание сердечников

3 и 4 в различные полупериоды переменного напрчжения Uz(t) вследствие встречного включения обмоток 7 и 8 возбуждения, относительно выходных точек подключения фазосдвигающего элемента 20. При совпадении напряженностей магнитных полей, создаваемых токами обмоток управления и возбуждения, индукция в ферромагнитном сердечнике будет изменяться во времени быстрее, чем при встречном направлении напряженностей магнитного поля, создаваемого указанными обмотками.

Пусть направление входного постоянного тока X(t) Ф 0 таково, что в пределах положительного полупериода напряжения UI(t) генератора 19 напряженности магнитных полей обмоток управления 9 и во. буждения 5 сердечни° ка 1 противоположны по на пра вле нию.

Тогда напряженности магнитных полей обмоток управления 10 и возбуждения

6 сердечника 2 в указанный лолупериод напряжения П,(t) будут совпадать по направлению воздействия.

При этом индукция В $t) (AHr. Зв) в сердечнике 2 будет изменяться во времени быстрее, чем индукция В,(t).

В результате индукция В z(t) достигает уровня насыщения насыщения + В сердечника 7. в момент времени t<, т.е. мотке 5 возбужцения, а в пределах

7 159775 времени t ...t ток намагничивания н обмотке 6 возбуждения будет больше, чем в обмотке 5 возбуждения, когда имеет место насыщение сердечника 2.

В результате в указанные. пределы времени положительного полупериода напряжения

U;(t) будут отличаться от падения напря- жений Y (t) и 7 (с) на резисторах 23 и 24 (фиг. За). Яри этом напряжение на из-1О мерительной диагонали первого моста

7 (t) - Y (e) - У () будет отличаться от нуля, как в пределах временин так и Времени t< ° ° ° t °

В ределах отрицательного полу- 15 периода напряжения U,(t) генератора 19 напряженности магнитных полей обмоток управления 9 и возбуждения 5 сердечника 1 совпадают, по направлению, а напряженности магнитных полей обмоток управления 10 и возбуждения 6 сердечника 2 будут противоположны.

Тогда индукция В„(t) в сердечнике 1 будет изменяться во времени быстрее, чем индукция В (t) в сердечнике 2 (фиг. Зв). В результате индукция

В, (t) достигнет уровня насыщения -В 5. сердечника 1 в момент времени 1,; т.е. прежде, чем произойдет изменение полярности напряжения генератора 19.

„B сердечнике 2 индукция В () за тот же отрицательный полупериод на.пряжения U,(t) уровня насьппения -В . достигнуть не сможет (фиг. Зв). В соответствии с изменениями индукций

В 1(О и B2() н отрицательньп1 полу35 период напряжения Ц, (t) ток намагничивания в обмотке Roÿáó;êäåíèÿ 5 н пределах времени t ...t будет меньше, чем в обмотке возбуждения 6, а 40 в пределах времени t « ...t „I, когда имеет место насыщение сердечника 1, будет больше ток намагничивания в обмотке 5. При этом будут отличаться и падения напряжений ч, (t) и Yq (t) 45 на резисторах 23 и 24 (фиг. За).

Будет отличаться от нуля и текущее значение напряжения на измерительной диагонали первого моста >>(t) как в пределах времени С ...1-« так и времени t « ..., .

Аналогичньпи образом формируется напряжение Y<(t) на измерительной

1 диагонали второго моста Y <(t)

Э

Y4(t) - у (t) который получает . 55 питание переменного напряжения U (t) (фиг. 2 и Зб) с выхода фазосдвигающего элемента 20, При наличии входного постоянного тока X(t) 8 О указанного направления в положительный период переменного напряжения U<(t) ток намагничивания обмотки 8 возбуждения сердечника 4 в пределах времени t> ...t будет меньше, чем ток намагничивания обмотки 7 возбуждения сердечника 3, а в пределах времени когда имеет место насыщение сердечйика 4, ток намагничивания н обмотке 8 возбуждения сердечника 4 будет больше, чем ток в обмотке возбуждения 7 (фиг Зб, r). В отрицательный полупериод напряжения U (t) ток намагничивания обмотки 8 возбуждения сердечника 4 в пределах времени

t + будет больше, чем ток на,магнйчивания обмотки 8 возбуждения ,сердечника 3, н пределах времени когда имеет место насыщение сердечника 3, ток намагничивания в обмотке 7 возбуждения сердечника 3 будет больше, чем ток в обмотке 8 (фиг. Зб, г). При этом будут отличаться и падения напряжений Y<(t} и

У (t) на резисторах 25 и 26. Будет отличаться от нуля и текущее значение на измерительной диагонали второго моста Y<(t) = Y4(t) — Y+(t) как в пределах времени положительного полупериода напряжения

U (t) так и в пределах времени

t 3- t 1Ф, t t „ Отрицательного

14 полупериода напряжения U<(t) (фиг. Зб) .

За период с ...и переменного напряжения U, (t) генератора 19 среднее значение напряжения у (t) на измерительной диагонали первого моста будет равно нулю, а также за период Сз ...

t1 переменнОГo напряжения t g(t) AG зосдвигающего устройства среднее значение напряжения у () на измерительной диагонали второго моста будет равно нулю. Однако за счет днухпозиционных ключей 27 и 28, управляемых фазосдвигающим элементом 21, происходит выделение постоянной составляющей на выходе сумматора 29. Так, в период НреМеНН t1 t4-, когда напряжение U (t) положительно, на входах сумматора 29 присутствуют сигналы

Y,(t) и У (t) первого измерительного моста, а на выходе сумматора появляется положительный сигнал.,> . (), равный разности Y, (t) — Y<(t} = V>(t) (фиг. Зе); в пеРиод вРемени t 4..., когда на входах сумматора 29 присутствуют сигналы Y4(t} и Y<(t) второго измерительного моста, а на ныходе

Формула

9 15977 сумматора 29 — положительный сигнал

)() Ф() К() 6( (фиг. Зе); в период времени t ... t

7 gO когда напряжение Б (t) отрицательно, выходной сигнал сумматора 29 Y (t)

Jt также положителен и определяется разностью Y (t) - У (t) = Y (t) (фиг.Зе}; в период времени t ...t,когда йапряжение IJ<(t) отрицательно, сигнал

Y>(t) сумматора 29 остается положительнйм и равен разности Y+(t) — Y (t)

= Y< (t) (фиг, 3e) .

При изменении направления входного постоянного тока X(t) протекающего через обмотки 9 — 12 управления устройства,,характеристики намагничивания сердечников 1 и 2 и измененйя индукции в них меняются местами, а 20

TGKKe меняются местами характеристики намагничивания и изменения индукций в сердечниках 3 и .4, что в итоге приводит к изменению полярности сигнала Y (t) на выходе сумматора 29. 25 !

Для повышения точности измерения входного постоянного тока выходной сигнал Y > (t) сумматора 29 поступает на вход интегратора 30, а затем с его 30 выхода на выходной зажим 32 и через элемент 31 обратной связи на обмотки

15 — 18 обратной связи. При появлении на входе интегратора 30 сигнала У (t)=

0 на его выходе возникает сигнал

Yg(t) = О, под действием . которого в обмотках 15 — 18 обратной связи появляется ток намагничивания сердечников 1 - 4, встречно направленный току намагничивания обмоток 9 — 12 40 управления и полностью компенсирующий

его первоначальное воздействие на хахарактеристики намагничиваяия сердечников 1 — 4, 8 результате этого изме нения индукиий R„(t),В (t),Ð (t? т-; B+(t) 45 в сердечниках 1 — 4 вновь будут соответствовать условию, аналогичному отсутствию входного постоянного тока

X(t) устройства (фиг. 2в, г), что вызовет появление на входе интеграто- 50 ра 30 сигнала у (с) = О, В итоге выходной сигнал и,интегратора 30 (выходной сигнал трансформатора постоянного тока) перестанет изменяться и останется на уровне () О, соответствующем компенсации токами намагничивания обмоток 15 — 18 обратной свя- зи токов намагничивания обмоток 9—

12 управления (фиг, Зж). изобретения Трансформатор постоянного тока, содержащий четыре резистора, первые выводы первого и второго резисторов соединены с шиной нулевого потенциала, два ферромагнитных сердечника с обмотками возбуждения, обмоткамй управления и обмотками обратной свя- зи соответственно, обмотки управления первого и второго ферромагнитных сер-, дечников соединены согласно, согласно соединены обмотки обратной связи первого и второго ферромагнитных сердечников, начало обмотки возбуждения первого ферромагнитного сердечника соединено с вторым выводом первого резистора, а конец — с началом обмотки возбуждения второго ферромагнитного сердечника, при этом конец обмотки возбуждения второго ферромагнитного сердечника соединен с вторым выводом второго резистора, генератор переменного напряжения, первый выход которого соединен с концом о6мотки возбуждения первого ферромагнитного сердечника, в второй выход генератора переменного напряжения соединен с шиной нулевого потенциала, первый вход первого ключа соединен с вторым выводом Первого резистора, первый вход второго ключа соединен с вторым выводом второго резистора, сумматор, выход которого соединен с входом интегратора, выход которого соединен с входом элемента обратной связи и является выходом устройства, начало обмотки обратной связи и второго ферромагнитного сердечника соединено с шиной нулевого потенциала, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения динамической точности, в него введены два фазосдвигающих элемента и элемент ИСКЛНЧАИЩЕЕ ИЛИ, третий и четвертый ферромагнитные сердечники с обмотками возбуждения, обмотками управления H обмотками обратной связи соответственно, п6мотки управления третьего и четвертого ферромагнитных сердечников соединены согласно, согласно соединены обмотки обратной связи третьего и четвертого ферромагнитних сердечников, начало обмотки возбуждения третьего ферромагнитного сердечника соединено с вторым выводом третьего резистора, а конец — с на .алом обмотки возбуждения четвертого ферромагнит11 15977 ного сердечника, причем конец обмотки возбуждения четвертого ферромагнитного сердечника соединен с вторым выводом четвертого резистора, первые

5 выводы третьего и четвертого резисторов соединены с ниной нулевого потенциала, вход первого фазосдвигающего элемента соединен с первым выходом генератора переменного напряжения и первым входом элемента ИСКЛИЧАИЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого фазосдвигающего элемента и началом обмотки возбуждения четвертого ферромагнитного сердечника, выход элемента ИСК3ЮЧАИЩЕЕ ИЛИ через второй Аазосдвигаю- щий элемент соединен с управляющими входами обоих двухпозиционных ключей, второй вход первого двухйозиционного 20, ключа соединен с вторым выводом третье55 12 го резистора, второй вывод четвертого резистора соединен с вторым входом второго двухпоэиционного ключа, выход которого соединен с инвертирующим входом сумматора, неинвертирующий вход которого соединен с выходом первого двухпозиционного ключа, выход элемента обратной связи соединен с концом обмотки обратной связи третьего ферромагнитного сердечника, начало обмотки обратной связи четвертого ферромагнитного сердечника соединено с концом обмотки обратной связи первого .ферромагнитного сердечника, конец обмотки управления которого, соединен с началом обмотки управления четвертого ферромагнитного сердечника, начало и конец обмоток управления третьего н первого ферромагнитных сердечников соответственно являются входами устройства.