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 u_вх подаётся на входы фазосмещателя ФС и квадратора КВ1. На выходе фазосмещателя ФС формируется напряжение u₁ такой же амплитуды и сдвинутое по фазе относительно u_вх на угол 90° в сторону отставания.

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

где U_{m 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 u_вх 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 U_вых постоянного тока:

Из полученного выражения для U_вых видно, что выходное напряжение U_вых преобразователя не содержит переменной составляющей напряжения, а его величина равна амплитуде измеряемого входного напряжения U_{m вх}, то есть пропорционально U_вх. 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 u_вх и выходного u_вых напряжений и напряжений u₁–u₄ 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 u_вх 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=U_{m вх}cosωt,

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 u_вых напряжения показывает, что время установления t_y выходного напряжения u_вых 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