Содержание к диссертации
Введение
Глава первая, Состояние проблемы измерений больших переменных токов на современном этапе
1.1. Цели и особенности измерения БПТ 11
1.2. Средства измерений больших переменных токов 13
1.3. Электрометрические преобразователи переменного тока 17
1.4. Магнитооптические преобразователи переменного тока 18
1.5. Магнитные компараторы переменного тока 20
1-6, Измерительные трансформаторы тока 21
1 .7. Измерительные преобразователи тока на основе пояса Роговского.— 23
1.8, Выводы 27
Глава вторая. Измерительные преобразователи больших переменных токов на основе пояса роговского
2.1, Постановка задачи исследования 28
2.2. Магнитный поток витка обмотки пояса Роговского 30
2-3. Токопроводы больших переменных токов 32
2.4. Погрешности ИПТ на основе пояса Роговского 33
2.4.1. Погрешность от паразитной емкости 34
2.4.2. Погрешность от неравномерной намотки обмотки пояса 38
2АЗ. Погрешность от наклона витка 46
2.5. Способ повышения точности измерения ИПТ на основе пояса Роговского 48
2.6. Способ повышения надежности ИПТ на основе пояса Роговского 51
2.7. Эффективная площадь обмотки пояса Роговского 54
2.8. ЭДС обмотки пояса Роговского при использовании спиральных катушек 58
2.9. Использование ИПТ на основе пояса Роговского при различных сечениях токопровода
2.10, Устройство сопряжения пояса Роговского с измерительными устройствами 62
2.12- Выводы 65
Глава третья. Интеграторы напряжения
3-1 Постановка задачи исследования 67
3-2. Классификация интеграторов напряжения 67
33, Погрешность типового аналогового интегратора напряжения 69
3,4- Способ коррекции нулевого уровня интегратора периодической разрядкой интегрирующего конденсатора 72
3.5. Способ коррекции нулевого уровня интегратора введением цепи коррекции по постоянному напряжению 83
3.6. Способ коррекции АП изменением направления интегрирования напряжения смещения 90
3.7. Способ выборочного интервального интегрирования напряжения... 95
3.8. Аналого-цифровой интегратор 102
3.9. Цифровой интегрирующий измеритель 107
ЗЛО. Выводы 114
Глава четвертая. Совершенствование измерительных трансформаторов тока
4.1. Компенсационные измерительные трансформаторы тока 116
4.2. Двухкаскадные ИТТ с использованием компенсационных трансформаторов тока 118
4.3. Коррекцнонный трансформатор тока 123
4.4. Выводы 126
Глава пятая, Исследование инструментальных погрешностей измерительного преобразователя тока на основе пояса роговского
5.1. Инструментальные погрешности ИПТ на основе пояса Роговского... 127
5.2. Пояс Роговского для измерения тока в высоковольтных цепях 129
5.3. Пояс Роговского для измерения тока свыше 10 кА 133
5 А Цифровой интегрирующий измеритель 136
5.5.Интегратор аналогового напряжения 139
5,6. Выводы 146
Заключение 148
Библиографический список используемой литературы
- Электрометрические преобразователи переменного тока
- Токопроводы больших переменных токов
- Погрешность типового аналогового интегратора напряжения
- Двухкаскадные ИТТ с использованием компенсационных трансформаторов тока
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие электроэнергетики на современном этапе сопровождается увеличением значений рабочих напряжений и токов. Это требует переоснащения парка измерительных приборов устройствами с более совершенными принципами измерения.
В системе мероприятий по экономии и рациональному использованию энергоресурсов особо важное место занимают вопросы повышения точности и расширения диапазона измерения токов. Это связано, например, с установлением оптимальных режимов работы оборудования и ведения технологических процессов.
Получение информации о больших токах связано с особыми трудностями, поскольку их непосредственное измерение невозможно. Это предполагает использование промежуточных устройств - измерительных преобразователей (ИП), задачей которых является представление информации в наиболее удобном для использования (в данном случае - измерения) виде.
Точность получения информации и объем выполнения требуемых задач (в частности задач по экономии энергоресурсов) в значительной степени определяется уровнем погрешностей» диапазоном измерения и другими характеристиками ИП, что делает актуальным поиск путей дальнейшего совершенствования этих устройств, тем более что известные решения часто не дают желаемых результатов.
Решению этих проблем посвящены работы Болотина И,Б., Андреева ЮЛ,, Абрамзона Г.В,, Лейтмана Н.Б., Семенко Н.Г., Гамазова Ю,А..
Несмотря на значительное количество работ в этой области, необходимо отметить два важных момента. Во-первых, большинство работ выполнены довольно давно и не соответствуют современному уровню развития измерительной техники, а во-вторых, состояние системы метрологического обеспечения является в общем не удовлетворительно в масштабах нашей страны. Это связано с трудностями поверки измерительных трансформаторов, что приводит к тому, что многие устройства не поверяются многие годы. Кроме этого, такие трансформаторы морально устарели, имеют большие массогабаритные характеристики, не разъемную конструкцию и сдерживают развитие современных автоматизированных систем.
Таким образом, учитывая современные требования по экономии и рациональному использованию энергоресурсов, необходимость повышения точности измерения больших переменных токов и трудность решения этой задачи с помощью известных методов, можно сделать вывод об актуальности поиска новых способов преобразования больших переменных токов.
Целью диссертационной работы является совершенствование принципов построения средств измерения больших переменных токов для улучшения технико-экономических показателей устройств при их использовании в электроэнергетике.
Поставленная цель определила основные задачи исследования.
1. Анализ современных решений, связанных с измерениями больших переменных токов (БПТ) в электроэнергетике.
2. Совершенствование измерительных трансформаторов тока.
3. Исследование пояса Роговского на предмет измерения БПТ в электроэнергетике.
4. Разработка переносной конструкции пояса. Определение его погрешностей и путей их снижения.
5. Совершенствование принципов постороения аналоговых и цифровых интеграторов напряжения,
6. Разработка цифрового интегрирующего измерителя действующего значения.
Методы исследований базировались на теории электрических цепей, теории электромагнитного поля. Применялись класические разделы математического анализа. Проверка основных выводов проводилась посредством компьютерных экспериментов.
Работа проводилась на цикле «ТОЭ и ОЭ» кафедры «Электроснабжение» Ульяновского государственного технического университета, научный руководитель - д.т.н., профессор Казаков М.К
Структура диссертации. В первой главе проведен обзор работ, посвященных измерительным преобразователям больших переменных токов, сформулированы и отмечены достоинства и недостатки известных преобразователей.
Во второй главе проводится исследование пояса Роговского на предмет измерения БПТ в электроэнергетике и оценки его погрешности, с целью ее снижения, при использовании переносной конструкции. Определены пути снижения методических погрешностей- Предложен способ повышения точности измерения и способ повышения надежности пояса, основанные на выполнении обмотки из спиральных катушек (СК).
Третья глава посвящена интеграторам напряжения. Интегратор является важным узлом измерительного преобразователя больших переменных токов на основе пояса Роговского- Проведен анализ известных способов и схем интегрирования. Разработаны новые способы коррекции нулевого уровня и новые схемы интеграторов, имеющие лучшие метрологические характеристики по сравнению с известными. Рассмотрен цифровой интегирующий измеритель напряжения.
Четвертая глава посвящена измерительным трансформаторам тока (ИТТ). Разработаны схемы компенсационных трансформаторов тока, позволяющие снизить погрешности ИТТ за счет использования двух ступеней трансформации. Предложен новый путь снижения погрешности преобразования - формирование сигнала, пропорционального сумме токов ветви намагничивания и вторичной цепи (коррекционный трансформатор тока),
В пятой главе проведено исследование инструментальных погрешностей измерительного преобразователя тока на основе пояса Роговского, цифрового интегрирующего измерителя, реализованного численными методами, и аналогового интегратора напряжения
Научная новизна работы заключается в следующем.
L Предложен способ повышения точности измерения тока с помощью пояса Роговского, заключающийся в выполнение обмотки в виде последовательно соединенных спиральных катушек.
2. Разработан способ повышения надежности пояса Роговского на основе использования спиральных катушек, позволяющий создать разъемную конструкцию, что важно для переносных устройств.
3. Предложен способ интегрирования аналогового напряжения позволяющий повысить точность выполнения этой операции.
1. Практическая ценность работы состоит в следующем Показана возможность применения пояса Роговского для измерения больших переменных токов в электроэнергетике без разрыва токопровода.
2. Исследованы погрешности измерения тока с помощью пояса Роговского и предложены пути их снижения.
3. Предложена конструкция пояса Роговского в виде последовательно соединеных калиброванных датчиков, которая позволяет проводить, измерения на токопроводах различного сечения.
4. Предложены пути совершенствования измерительных трансформаторов индукционного типа на основе использования двухступенчатой трансформации и создания коррекционного трансформатора.
5. Проведен анализ погрешностей измерения тока при использовании измерительного преобразователя тока (ИНТ) на основе пояса Роговского, что позволило разработать несколько вариантов конструкций пояса Роговского для использования в различных цепях.
6. Предложены схемы аналоговых интеграторов, позволяющие повысить точность интегрирования.
7. Рассмотрен алгоритм цифрового интегрирующего измерителя действующего значения, реализованного численными методами.
8- Предложена новая технология изготовления обмоток низкочастотных трансформаторов тока, в частности - пояса Роговского, на основе использования печатного монтажа»
Реализация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Ульяновского государственного технического университета с 1999 по 2004 гг., на 3-ей Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 2001г.), на 4-ой Российской научно-технической конференции «Энергосбережение в городстком хозяйстве, энергетике, промышленности» (Ульяновск. 2003 г.). Результаты исследований использованы при выполнении госбюджетной научно-исследовательской работы «Исследование режимов электроснабжения постоянных, переменных токов при создании измерительных устройств на базе современных достижений микроэлектроники» (отчет по НИР, номер госудорственной регистрации №01960008652, Ульяновск, 2000 г.) Результаты диссертационной работы использованы в ЗАО «Контактор» (г.Ульяновск) и ОП «Барышские электрические сети» (Ульяновская обл., г-Барыш) для измерения больших переменных токов промышленной частоты.
По результатам выполненых исследований опубликовано 28 печатных работ, в том числе 8 патентов на изобретения, 9 патентов (свидетельств) на полезную модель и одна публикация в центральной печати.
Электрометрические преобразователи переменного тока
К электрометрическим (резистивным) преобразователям относятся шунты (ответвители энергии) и специальные меры сопротивления, в том числе комбинированные, а также участки токопровода.
Главная трудность в создании резистивных преобразователей переменного тока состоит в снижении реактивной составляющей сопротивления. Появление реактивной составляющей сопротивления низкоомного резистора связано с наличием индуктивностеи двух родов: внутренней индуктивности проводящих элементов резистивных преобразователей переменного тока и индуктивности, связанной с конструктивным исполнением резистора. Кроме того, на значение сопротивления оказывает влияние поверхностный эффект, который проявляется при переменном токе, зависит от его частоты и заключается в вытеснении тока на поверхность проводника, в результате чего происходит кажущееся уменьшение поперечного сечения проводника и возрастание его сопротивления. Влияние поверхностного эффекта обнаруживается вполне ощутимо на частотах порядка единиц килогерц и с повышением частоты усиливается. Все эти факторы проявляются в большей степени в низкоомных резисторах и приводят к тому, что обеспечить высокие метрологические характеристики резистивных преобразователей переменного тока существенно труднее, чем на постоянном токе.
Один из путей ослабления частотной зависимости сопротивления — это уменьшение сечения элементов, образующих резистивный преобразователь. Для этой цели используют обычно широкие тонкие полосы, и даже ленты. Благодаря этому удаётся весьма существенно ослабить «внутренние частотные эффекты».
Значительно «менее управляемыми» являются факторы, связанные с конструктивным исполнением резистивных преобразователей переменного тока, и обусловленные тем, что весьма небольшой полезный сигнал в цепи потенциальных выводов может искажаться наведенной переменной ЭДС из-за индук
тивной связи между цепью большого тока и вторичной цепью резистивного преобразователя переменного тока.
В условиях весьма мощных магнитных полей, сопутствующих большому току, наличие даже незначительной взаимной индуктивности между этими цепями может стать источником существенной погрешности. Поэтому при конструировании резистивных преобразователей переменного тока этот фактор учитывается весьма тщательно, но окончательно преобразователи доводят экспериментальным путем.
Конструктивно резистивные элементы преобразователей реализуются в виде манганиновых тонких полос, иногда изогнутых зигзагообразно «в гармошку», в виде труб или трубчатых конструкций вида «беличьего колеса», образованного тонкими манганиновыми прутками, впаянными в токопроводящие колодки. Известны также коаксиальные цилиндрические конструкции резистивных преобразователей переменного тока, не создающие собственного наружного магнитного поля.
Резистивный преобразователь совершенно не решает задачу гальванической развязки измерительной и силовой цепей, весьма важную для цепей переменного тока. Поэтому для измерения в производственных целях резистивные преобразователя переменного тока практически не используют, их применяют в различных экспериментальных и исследовательских работах, в первую очередь для изучения переходных процессов при испытаниях электротехнического оборудования. При этом они играют роль первичных преобразователей и их используют совместно с усилителями и устройствами для осциллографирования или других способов регистрации измерительной информации,
Использование магнитооптического (МО) явления позволяет получить такие достоинства ИП, как высокое быстродействие, наличие гальванической развязки между цепями преобразования и регистрации.
При измерении тока с помощью МО устройств ток необходимо преобразовать в магнитную индукцию, причем нет необходимости обеспечивать очень высокую однородность магнитного поля в месте расположения измерительного элемента. Последний можно, например, разместить около токопровода, который и играет роль первичного преобразователя ток - индукция. Однако с помощью такого простого решения не всегда можно избежать влияния неинформативных магнитных полей, поэтому кардинальным путем снижения влияния помех является построение оптического контура интегрирования с помощью размещения вокруг шины с током нескольких магнитооптических стержней, по которым проходит луч света [51].
Прогресс в области изготовления световодов привел к появлению волоконно-оптических датчиков, которые являются распределенными элементами. В этом случае легко получить различные пределы измерений, наматывая световод на токопровод.
Но имеются и серьезные проблемы. При использовании волоконно-оптического датчика из-за наличия примесей в материале световода также может возникнуть двойное лучепреломление, приводящее к возникновению погрешностей, которые могут быть существенными [51]. Также - это низкая температура - и виброустойчивость и пока еще высокая стоимость, препятствующая их широкому применению.
В качестве примера можно привести созданную фирмой «Сименс» лабораторную установку оптического преобразователя с номинальным первичным током 1000 А и вторичным током 1 А, рассчитанную на работу с напряжением первичной цепи до 100 кВ. По данным испытаний она удовлетворяет классу точности 0,2. Оптический преобразователь содержит 20 витков одномодового кварцевого световода, намотанного на специальный каркас, охватывающий шину с первичным током [51].
Передача измерительной информации по каналам оптической связи обеспечивает практически идеальную электрическую изоляцию между цепью измеряемого тока и вторичной измерительной аппаратурой, поэтому магнитоопти ческие преобразователи переменного тока стремятся использовать преимущественно при создании высоковольтных измерительных преобразователей переменного тока.
Токопроводы больших переменных токов
Наиболее распространенным проводниковым материалом для шин токопроводов больших переменных токов в настоящее время является алюминий и алюминиевые сплавы АД31Т1 и АД31Т [54]. В некоторых случаях применяются медные токопроводящие материалы, которые имеют более высокие физические, химические и механические свойства.
Формы токопроводов, используемые в электроснабжении [54], представлены на рис. 2.3: - прямоугольные шины (рис.2.3д), размеры от 15x2 до 120x10 мм, токовая нагрузка на одну полосу от 210 до 2650 А, - корытного профиля (рис.2.36)» размеры от 15x15 до 250x250 мм, токовая нагрузка от 2670 до 10800 А, - «двойное Т» (рис.2.3#), размеры от 100x80 до180х150 мм, токовая нагрузка от 2970 до 7760 А, - труба круглая (рис.2.3г), диаметр от 100 до 250 мм, токовая нагрузка от 2170 до 7760 А, - алюминиевая труба (рис.2.3d), диаметр от 13 до 90 мм, токовая нагрузка от 295 до 2840 А.
Необходимо отметить, что с целью полного использования сечения токопровода, его толщина делается меньше двойной глубины проникновения электромагнитной волны. Глубина проникновения на промышленной частоте составляет 12 мм для алюминия и 9,35 мм для меди [25].
Погрешности ИПТ на основе пояса Роговского
Весьма важным при создании прецизионных устройств является анализ погрешностей, вносимых поясом Роговского и интегратором» вследствие отличия их характеристик от идеальных. В общем случае можно указать на следующие виды погрешностей: 1) погрешность из-за влияния паразитной емкости и параметров обмотки S„qp (см, рис.2.4), 2) погрешность от неравномерной намотки обмотки пояса 8НН которая приводит к погрешностям смещения $с влияния внешних магнитных полей 3) погрешность от наклона витка обмотки SHK 4) погрешность» возникающая при выполнении операции интегрирования 8и.
Вопросам построения и исследования погрешностей интегратора () посвящена третья глава настоящей работы.
Схема замещения пояса Роговского представлена на рис.2.4, где М -взаимоиндуктивность между поясом Роговского и контуром измеряемого тока (см, ф. 1.4); Яг9 Lz С% - параметры обмотки пояса Роговского, являющиеся соответственно эквивалентом активной, индуктивной и емкостной составляющих обмотки пояса, Спар - паразитная емкость, возникающая при разнесении пояса Роговского и электронных узлов (интегратор) в пространстве. Схема замещения пояса вытекает из схемы замещения трансформатора тока [60]. Отличительными особенностями такого устройства являются, во первых, режим работы пояса — холостой ход, во вторых, то, что ветвью намагничивания сердечника является взаимоиндуктивность. Из схемы, представленной на рис-2.4, видно, что напряжение и на зажимах {а и Ь) пояса Роговского определяется параметрами обмотки, значением взаимоиндуктивности М и током первичной цепи J#I« Сопротивление первичной обмотки пояса на схеме замещения не показано, так как оно не оказывает влияние на работу ИПТ.
Как видно из рис.2.5, погрешность 8пар на промышленной частоте при предельных значениях параметров обмотки составляет порядка 10" %, при С„ар=\000 пФ. Причем погрешность 8Ш1р мало зависит от параметров обмотки (С , iz5 Л?) и изменения промышленной частоты в диапазоне 40-60 Гц, т,к. максимальное значение погрешности не превышает 10"4 % (см. рис.2,6-2.9). Поэтому параметрами обмотки и паразитной емкостью в дальнейшем можно пренебречь.
Такнм образом, ИПТ на основе пояса Роговского имеет линейную характеристику, определяемую формулой (1.4), которая не зависит от электрических параметров обмотки, паразитной емкости, и разброса промышленной частоты в диапазоне 40 - 60 Гц,
Обмотку пояса Роговского возможно выполнить с достаточно высокой степенью равномерности, но в реальных устройствах неизбежны безвитковые секторы обмотки, например, в местах шарнирного соединения разъемных частей или в области их стыка. Наличие безвитковых секторов (рис.2Л 0) является причиной возникновения погрешностей от смещения Sc, стороннего магнитного поля дст. Для определения путей снижения погрешности необходимо провести их анализ.
Уменьшение погрешности от неравномерной намотки достигается введением дополнительных безвитковых секторов, длина каждого из которых равна длине начального безвиткового сектора (обусловленного местом разъема неферромагнитного каркаса), расположенных равномерно вдоль пояса [46].
На рис.2 Л 0 представлена обмотка пояса Роговского 1, состоящая из виткового сектора 2 и безвиткового сектора 3- Секторы расположены равномерно вдоль обмотки, а количества витковых п и безвитковых секторов п» равны:
Угловые длины виткового и безвиткового сектора равны соответственно у и Д Коэффициент однородности характеризует отношение длин виткового и безвиткового секторов
Погрешность типового аналогового интегратора напряжения
Выходное напряжение идеального инвертирующего интегратора на основе ОУ (рис.3.2) описывается выражением [20]: гДе Цп входное напряжение, со - частота входного напряжения, RQ сопротивление определяющее входной ток интегратора, Со - интегрирующий конденсатор.
Типовой аналоговый интегратор на ОУ На практике основными источниками погрешностей являются входные токи смещения и напряжение смещения ОУ (рис.3.3), которые при анализе учитываются источниками тока -/ и J (по инвертирующему и неинвертирующему входам соответственно) и источником ЭДС Еш [9, 50]. В этом случае выходное паразитное напряжение типового аналогового интегратора имеет вид: т.е. происходит накопление погрешности от интегрирования токов и напряжения смещения, выражающейся в смещении нулевого уровня интегратора, вследствие чего появляется аддитивная погрешность (АП). Такой интегратор не может использоваться в режиме длительного интегрирования, поскольку через некоторое время ОУ войдет в режим насыщения- Причем эту погрешность невозможно устранить балансировкой ОУ из-за температурного и временного дрейфа смещения нулевого уровня.
Отмеченные факторы приводят к необходимости использования различных способов установления нулевого уровня интегратора напряжения, суть которых заключается в устранении эффекта интегрирования входных токов и напряжения смещения ОУ. Существуют два метода снижения АП интегратора напряжения [20]: 1) компенсация аддитивной погрешности (рисЗ,4,а),
Структурные схемы методов уменьшения АП 2) коррекция аддитивной погрешности (рис.3.4,6).
При компенсации АП используется формирователь сигнала ошибки (ФСО), на вход которого поступает сигнал хг с выхода основного канала (ОК). Выходной сигнал ФСО хсо компенсирует входную величину ОК хи а их разность Ах подается на вход ОК.
При использовании коррекции, на вход ОК и ФСО подается входная величина х\9 ФСО формирует сигнал ошибки xCOi который снижает погрешность на выходе устройства. В отличие от компенсации, в этом случае производится смещение функции преобразования основного канала [24].
Формирование требуемых сигналов осуществляется подачей выходного или входного сигналов устройства (см, пунктирные линии на рис.3.4) на ФСО и в этом случае методы компенсации и коррекции являются частными случаями метода уравновешивающего преобразования. 3 4. Способ коррекции нулевого уровня интегратора периодической разрядкой интегрирующего конденсатора
Одним из методов выставления нулевого уровня является подключение параллельно интегрирующему конденсатору ключа [62]. Замыкание ключа в момент отсутствия входного сигнала позволяет исключить смещение нулевого уровня интегратора. При наличии на входе интегратора напряжения ключ размыкается, и устройство работает аналогично ИН, собранному по типовой схеме (рис.3-2), Недостатком такого интегратора является то, что он может
Интегратор напряжения с дифференцирующим усилителем во вспомогательной цепи использоваться только в режиме кратковременного интегрирования, например при импульсном входном напряжении.
С целью устранения этого недостатка разработано устройство [37] для интегрирования гармонических сигналов с управлением разрядным ключом (рис.3.5). Ключ управляется вспомогательной цепью (ВЦ), работа которой синхронизирована с входным напряжением интегратора.
Вспомогательная цепь реализует сигнальную функцию [4], описываемую выражением: U, при иет(/) меньше Utm (Q при мю(0 равном І/ж (3.5) где Оцю - амплитудное значение входного сигнала. Функция преобразования ИН с параллельно подключенным интегрирующему конденсатору ключом имеет вид:
Устройство, реализующее выражение (3.6), состоит из интегрирующего усилителя ИУ, ключа Ал, вспомогательной цепи (рис.3.5). Вспомогательная цепь состоит из дифференцирующего усилителя (ДУ), компаратора на основе ОУ и одновибратора, выполненного на основе дифференцирующей ДС-цепочки и диода Д На рис. 3.6 приведены эпюры напряжений, поясняющие работу ИН, где ыет - входное напряжение, щ - напряжение на выходе дифференциатора, ин - напряжение на выходе компаратора, URC - напряжение на выходе RC - цепи.
Устройство работает следующим образом. Входное напряжение поступает на вход ИУ и вспомогательной цепи (рис-З.ба). Целью подключения ВЦ является выработка сигнала для замыкания ключа в момент пересечения выходным напряжением нулевого уровня. Для этого ДУ дифференцирует напряжение tin (рис.3.66), далее сигнал с помощью компаратора напряжения сравнивается с нулевым напряжением и вырабатываются импульсы ик, длительностью равные полупериоду сигнала цда (рис.3.бе),
Двухкаскадные ИТТ с использованием компенсационных трансформаторов тока
В течение времени ДТз (рис.3.17) напряжения ГПИ, наоборот, ключи Knl, Кл4, Кл5, Кл8 - размыкаются, а ключи Ал2, КлЗ, Клб, Кл7 - замыкаются, что обеспечивается с помощью инвертора И. Поэтому вывод Вг обмотки ПР подключается к повторителю ПН, вывод В} - заземляется, первая обкладка 0{ конденсатора Со подключается к выходу ОУ Аи, а вторая обкладка ( - к инвертирующему входу этого ОУ. Поскольку происходит изменение полярности как напряжения, снимаемого с пояса, так и полярности подключения конденсатора, то знак интегрирования напряжения uBX(t) не изменяется. Что касается паразитного сигнала \Jmp, то направление его интегрирования в течение времени AT2 меняется на противоположное вследствие того, что обкладки конденсатора Со меняются местами, т.е. производится интегрирование согласно (3.35) при р=-\ [см. (3.36)].
Таким образом, за время AT=ATj+AT2 (при АТі=АТг) входное напряжение интегратора определяется выражением: 1 ЛГ =-тт"1м«да (337) т.е. смещения нулевого уровня интегратора не происходит, а производится интегрирование только полезного сигнала.
Полученный результат является справедливым для любого четного числа количества полутактов ДГ, = ДГ2. Выбором частоты ГПИ можно добиться очень малого значения напряжения Unap в отдельных полутактах. При этом к стабильности частоты ГПИ особых требований не предъявляется, необходимо лишь обеспечить равенство полутактов: ATj=AT2 т.е. скважность импульсов должна быть равной Q=0,5. На рис.3.18 представлена зависимость относительного значения остаточного паразитного сигнала AU в зависимости от скважности импульсов Q, при различных значениях длительности такта Д7; ГПИ.
Значение AU где исл1(Т}) и UCU(T2) - соответственно значение паразитного напряжения за время, равное значению такта Тх и Тг (см. 3.4). 0. 0. Анализируя кривые рис.3.18, можно сделать вывод, что остаточное значение паразитного сигнала возникает при отличии скважности импульсов от значения 0,5, причем меньшие погрешности имеет интегратор, ГПИ которого вырабатывает импульсы меньшей длительности.
Кроме этого при дрейфе скважности порядка сотых долей единицы остаточное значение AU составляет тысячные доли процента.
Отметим также, что сопротивления замкнутых ключей в обратной связи ОУ Аи влияют на частотную характеристику ИН. Для снижения этого влияния необходимо использовать электронные ключи с малым сопротивлением в открытом состоянии г0, например, микросхему К590КН9, у которой г0=6 Ом [13]. В этом случае, например, угловую погрешность на частоте 50 Гц можно снизить до сотых долей градуса. Что касается ключей между обмоткой ПР и повторителем ПН, то их сопротивления влияния на работу устройства не оказывают, поскольку они включены последовательно с большим входным сопротивлением ПН.
Способ выборочного интервального интегрирования напряжения
Способ интегрирования на основе активного интегратора позволяет существенно снизить методическую погрешность, но его недостатком является наличие погрешности от интегрирования входных токов и напряжения смещения используемого активного элемента, например, операционного усилителя.
С целью уменьшения погрешности от интегрирования входных токов и напряжения смещения используемого активного элемента, которое, в свою очередь, зависит от времени работы активного элемента, предлагается сократить его время работы следующим образом. Разделить время интегрирования на интервалы, часть из которых является «рабочими» (когда производится интегрирование), а другая часть - паузами (интегрирование входного напряжения не происходит). Тогда в паузах можно исключить интегрирование и входных токов и напряжения смещения используемого в интеграторе активного элемента.
Рассмотрим способ выборочного интервального интегрирования напряжения [35], разработанный на кафедре «Электроснабжение» УлГТУ с участием автора.
На рис.3.19 приведен график входного напряжения интегратора. Структурная схема, поясняющая предложенный способ интегрирования, представлена на рис.3.20. Схема интегрирующего ОУ приведена на рис.3.2. Изображения временных диаграмм, поясняющие реализацию предлагаемого способа интегрирования - на рис.3.21.
