Фильтр по тематике

Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное

Устройство позволяет увеличить быстродействие и точность существующих преобразователей переменного напряжения в постоянное, тем самым повысить точность поддержания параметров технологического процесса, а также эффективность работы средств защиты. Измерительный преобразователь построен на базе аналоговых перемножителей напряжения. Область применения измерительного преобразователя – измерение переменного синусоидального напряжения промышленной частоты.

Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное

Современное производство невозможно представить без электротехнического оборудования, обеспечивающего заданные параметры технологического процесса. К такому оборудованию относятся различные устройства силовой электроники: выпрямители, инверторы, регуляторы, устройства плавного пуска, преобразователи частоты и др. Поддержание заданных параметров технологического процесса обеспечивается многоконтурными системами подчиненного регулирования, в состав которых входят различные датчики напряжения и тока, которые также используются для защиты силовых полупроводниковых преобразователей от аварийных режимов работы. В большинстве случаев в регуляторах и системах защиты устройств силовой электроники используются сигналы постоянного тока, пропорциональные измеряемой величине. В случае если измеряемой величиной является переменное напряжение первичного датчика напряжения или тока, то возникает необходимость преобразования его переменного напряжения в постоянное. Для этой цели применяются измерительные преобразователи, от быстродействия и точности которых зависит точность поддержания параметров технологического процесса, а также эффективность работы средств защиты, обеспечивающих работоспособность силового оборудования.

Простейшие измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное используют, как правило, полупроводниковые двухполупериодные выпрямители, а для сглаживания пульсаций используются пассивные или активные сглаживающие фильтры [1, 2].

Применение полупроводниковых диодов снижает линейность, а следовательно, и точность преобразования, особенно в области малых сигналов. А для получения выходного напряжения преобразователя с малыми пульсациями требуются сглаживающие фильтры со значительной постоянной времени, что существенно уменьшает быстродействие. Применение активных выпрямителей [2] несколько повышает линейность и точность пре-образования, но не оказывает влияния на быстродействие, которое в значительной степени зависит от постоянной времени фильтра нижних частот, включённого на выходе выпрямителя.

Средства современной электроники позволяют построить быстродействующий преобразователь переменного напряжения в постоянное, обладающий высоким быстродействием, линейностью и точностью.

На рис. 1 приведена структурная схема разработанного измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное [3]. Он содержит фазосмещатель ФС, два квадратора КВ1 и КВ2, сумматор С и блок извлечения квадратного корня БИК.

Преобразователь работает следующим образом. Измеряемое синусоидальное напряжение переменного тока uвх подаётся на входы фазосмещателя ФС и квадратора КВ1. На выходе фазосмещателя ФС формируется напряжение u1 такой же амплитуды и сдвинутое по фазе относительно uвх на угол 90° в сторону отставания.

На входы квадраторов КВ1 и КВ2 поступают соответственно напряжения uвх и u1, одинаковые по амплитуде и сдвинутые по фазе относительно друг друга на угол 90°:

где Um вх – амплитуда измеряемого входного напряжения.

На выходах квадраторов КВ1 и КВ2 формируются синусоидальные напряжения u2, u3 постоянного тока, полученные после возведения в квадрат напряжений соответственно uвх и u1:

После суммирования напряжений u2 и u3 в сумматоре С и преобразований на его выходе имеем постоянное напряжение u4:

После операции извлечения квадратного корня в блоке извлечения квадратного корня БИК на выходе преобразователя формируется напряжение Uвых постоянного тока:

Из полученного выражения для Uвых видно, что выходное напряжение Uвых преобразователя не содержит переменной составляющей напряжения, а его величина равна амплитуде измеряемого входного напряжения Um вх, то есть пропорционально Uвх. Таким образом, квадраторы КВ1 и КВ2 выполняют роль выпрямителя, а сумматор С совместно с фазосмещателем ФС – роль быстродействующего сглаживающего фильтра.

На рис. 2 приведена принципиальная схема разработанного измерительного преобразователя. На рис. 3 приведены осциллограммы входного uвх и выходного uвых напряжений и напряжений u1u4 в контрольных точках схемы, полученные при ступенчатом воздействии на входе схемы.

Фазосмещатель ФС выполнен на операционном усилителе DA4.1, включённом по схеме фазового фильтра, который сдвигает входное напряжение uвх на угол 90° в сторону отставания на частоте 50 Гц (рис. 2). Коэффициент передачи фазосмещателя ФС равен единице при равенстве сопротивлений резисторов R2 и R3 [4].

Квадраторы КВ1 и КВ2 выполнены на интегральных микросхемах перемножителей напряжений DA1 и DA2 типа КР525ПС3А [5], которые выполняют операцию перемножения соответственно двух одинаковых входных сигналов, то есть операцию возведения в квадрат [6]:

где u1=Um вхcosωt,

x2 = y2 = z2 = 0, поэтому эти входы DA1 и DA2 в схеме (рис. 2) подключены к общему проводу.

Схема сумматора С представляет собой двухвходовой неинвертирующий сумматор на операционном усилителе DA4.2. Сопротивления резисторов сумматора С рассчитаны таким образом, что его коэффициент передачи равен единице. На выходе сумматора С формируется напряжение (рис. 2):

Блок извлечения квадратного корня БИК выполнен на микросхеме перемножителя DA3 типа КР525ПС3А, который включён по схеме извлечения квадратного корня и выполняет одноимённую операцию [6]:

где x2 = z1 = 0.

Таким образом, исключение из схемы преобразователя фильтра нижних частот, характерного для классических схем преобразователей переменного напряжения в постоянное, позволило существенно повысить быстродействие устройства.

Для разрешающей способности перемножителей КР525ПС3А в 12 мВ [5] динамический диапазон входного сигнала преобразователя составляет приблизительно 60 дБ. Для примера на рис. 3 приведены осциллограммы напряжений при амплитуде входного сигнала 3 В.

Анализ осциллограммы выходного uвых напряжения показывает, что время установления ty выходного напряжения uвых разработанного преобразователя, характеризующее его быстродействие, составляет 0,9 мс, что приблизительно в 6 раз быстрее в сравнении со схемой, основанной на двухполупериодном выпрямлении со сглаживающим фильтром.

Разработанный измерительный преобразователь был использован в устройстве защиты электродвигателя погружного насоса [7] мощностью 11 кВт вместо активного выпрямителя со сглаживающим фильтром. Тем самым повысилась чувствительность защиты от аварийных режимов по току, что позволило предотвратить прежде­временный выход из строя дорогостоящего электродвигателя погружного насоса и повысило надёжность водоснабжения из-за сокращения простоя оборудования.

Следует отметить, что рабочий диапазон частот разработанного измерителя ограничен промышленной частотой 50 Гц, так как фазосмещатель ФС смещает фазу входного сигнала на 90° только на этой частоте. Для расширения рабочего диапазона частот фазосмещатель ФС можно выполнить по схеме, приведённой в [8]. Тогда область применения данного измерительного преобразователя можно расширить для применения в частотно-регулируемом электроприводе.

Литература

  1. Волгин Л.И. Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное. М.: Советское радио, 1977. 240 с.
  2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1991. 473 с.
  3. Пат. № 163230 Российская Федерация, МПК G01R 19/22. Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное / Колесников Е.Б. № 2016104235/28; заявл. 09.02.2016; опубл. 10.07.2016, Бюл. № 19.
  4. Пейтон А.Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: БИНОМ, 1994. 352 с.
  5. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: справочник. Т. 4. М.: ИП РадиоСофт, 2001. 576 с.
  6. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. М.: Радио и связь, 1991. 376 с.
  7. Колесников Е.Б. Устройство управления и защиты электродвигателя погружного насоса // Современная электроника. 2013. № 5. С. 44–51.
  8. Пат. № 196044 Российская Федерация, МПК G01R 25/04. Устройство сдвига фазы на 90 градусов / Колесников Е.Б. № 2019141469/28; заявл. 12.12.2019; опубл. 14.02.2020, Бюл. № 5.

© СТА-ПРЕСС, 2025


Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!

Комментарии
Рекомендуем
Переключатели ёлочных гирлянд  на основе ИМС стандартной логики электроника

Переключатели ёлочных гирлянд на основе ИМС стандартной логики

Светодинамические устройства (СДУ) для управления гирляндами обычно выполняются на основе микроконтроллера, что требует применения программатора и написания управляющей программы. В то же время аналогичное устройство можно выполнить всего на нескольких ИМС стандартной логики. В таком случае нет необходимости в применении программатора для прошивки микроконтроллера. В данной статье рассмотрены три автомата с фиксированными алгоритмами для управления четырьмя и восемью гирляндами. В качестве светоизлучающих элементов используются сверхъяркие светодиоды. Их высокая надёжность и малое энергопотребление обеспечивают работоспособность в течение длительного времени и высокую экономичность при высокой яркости свечения.
25.12.2024 СЭ №1/2025 309 0

  Подписывайтесь на наш канал в Telegram и читайте новости раньше всех! Подписаться