Меню

Схема для измерения мощности переменного тока



Измерение мощности переменного тока с использованием ШИМ и АИМ

Texas Instruments TL082

Среднюю мощность, потребляемую от сети 60 Гц (эквивалентную произведению VС.К.З. × IС.К.З. × cosφ), можно измерять путем перемножения и последующего усреднения мгновенных выборок значений тока и напряжения. Для этого требуется четырехквадрантное умножение, поскольку мгновенные значения напряжения и тока могут иметь противоположную полярность. Известно множество способов решения этой задачи, включая аналого-цифровое преобразование с последующей цифровой обработкой сигналов или использование довольно дорогой микросхемы аналогового умножителя, за которой, опять же, должны следовать цепи обработки – аналоговой или цифровой. В статье предлагается еще один, третий способ решения этой задачи (Рисунок 1). В описываемой схеме используется широтно-импульсный/амплитудно-импульсный модулятор (ШИМ/АИМ), реализованный на недорогих операционных усилителях (ОУ) и аналоговом ключе. Схема может быть адаптирована к множеству других приложений.

Рисунок 1. Измерение мощности переменного тока, основанное
на модуляции импульсов.

В основе концепции ШИМ/АИМ умножителя лежит тот факт, что усредненное за один период значение импульсного сигнала равно площади импульса, деленной на период повторения импульсов. Если амплитуда каждого прямоугольного импульса будет пропорциональна напряжению, а ширина пропорциональна току, площадь прямоугольника будет пропорциональна напряжению, умноженному на ток. Если период повторения импульсов намного больше, чем период измеряемой частоты, мы вправе считать, что за время между двумя импульсами напряжение и ток существенно не изменяются. За выходом ШИМ/АИМ следует фильтр нижних частот, который удаляет частоту ШИМ и ее гармоники, восстанавливая требуемое среднее значение сигнала.

В схеме использованы два трансформатора: понижающий трансформатор TR1, с выхода которого берется низковольтный сигнал напряжения, и трансформатор тока TR2, вырабатывающий низкоуровневый, полностью гальванически изолированный токовый сигнал.

ОУ IC1-A, включенный как компаратор, генерирует достаточно линейные треугольные импульсы с частотой примерно 6 кГц (Рисунок 2). Столь значительная передискретизация, при которой частота выборки в 100 раз превышает частоту сигнала 60 Гц и в 50 раз теоретическую частоту Найквиста, требуется для того, чтобы снизить ошибку до величины менее 1% от полной шкалы. Для приемлемой линейности отклика размах треугольного сигнала от пика до пика должен удовлетворять двум критериям. Во-первых, для того чтобы коэффициент заполнения импульсов ШИМ мог достигать 100%, он не должен быть меньше максимального пикового напряжения, получаемого с выхода трансформатора тока T2. Во-вторых, он должен быть, по крайней мере, на 10% меньше, чем ±VCC.

Рисунок 2. Осциллограмма сигнала на входе (–) микросхемы IC1-B.

На ОУ IC1-B сделан генератор, формирующий симметричные относительно нуля прямоугольные импульсы с коэффициентом заполнения, зависящим от мгновенного значения сигнала на выходе трансформатора тока (Рисунок 3). Конденсатор C2 необходим для обострения фронтов импульсов выходного напряжения. Для того, чтобы прямоугольные импульсы ШИМ имели оптимальные параметры, операционные усилители должны иметь скорость нарастания не менее 10 В/мкс. Когда мгновенное значение сигнала на выходе трансформатора тока T2 равно нулю, коэффициент заполнения импульсов на выходе IC1-B будет равен 50%. По мере роста сигнала датчика тока от нуля до уровня полной шкалы, коэффициент заполнения увеличивается от 50% до 100%. При уменьшения токового сигнала от нуля до отрицательного уровня полной шкалы, коэффициент заполнения изменяется от 50% до 0%.

Рисунок 3. Осциллограмма сигнала на выходе микросхемы IC1-B.

ОУ IC2-A, ключ IC3-A и окружающие их резисторы образуют четырехквадрантный умножитель [1] в виде усилителя с коэффициентом усиления либо +1 (при замкнутом ключе), либо –1 (при разомкнутом ключе). Ключ управляется сигналом ШИМ с выхода IC1-B; он закрывается при положительном уровне сигнала на выходе IC1-B, и открывается при отрицательном уровне. Показанный на Рисунке 4 результирующий сигнал на выходе IC2-A является копией сигнала ШИМ на выходе IC1-B (коэффициент заполнения пропорционален току), за исключением амплитуды, которая пропорциональна напряжению.

Рисунок 4. Осциллограмма сигнала на выходе микросхемы IC2-A.

Последним каскадом схемы является фильтр нижних частот на микросхеме IC2-B, удаляющий из выходного сигнала как частоту ШИМ 6 кГц и ее гармоники, так и модулирующую частоту 60 Гц. В результате на выходе схемы формируется усредненный сигнал ШИМ, соответствующий среднему значению мощности переменного тока 60 Гц.

Ссылки

  1. Maxim Integrated, App. Note 4502, “Single IC PWM Modulator has 2% Linearity”, Ahmad Ayar, Aug 10, 2010.
  2. Maxim Integrated, App. Note 4281, “Advanced Power Line Monitoring Requires a High Performance Simultaneous Sampling ADC”, Joseph Shtargot, Sept. 26, 2008
  3. EDN Design Ideas, “Two IC-Circuit Combines Digital and Analog Signals to Make Multiplier Circuit”, Rick Mally, Jan. 2013

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Измерения в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты

Измерения в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты

Измерение тока и напряжения

Для измерения постоянных напряжений (токов) применяются, как правило, приборы магнитоэлектрической системы. Для измерения действующих значений переменных напряжений (токов) тока используют преимущественно приборы электромагнитной системы, а для измерения их средних значений — приборы магнитоэлектрической системы с выпрямителем.При измерении тока амперметр включается последовательно с участком цепи, в котором измеряется ток (рис. 5.1,а). Для измерения величины напряжения на каком-либо элементе электрической цени вольтметр включается параллельно этому элементу (рис. 5.2, а).

Читайте также:  Чем измерить скорость интер

Расширение пределов измерения амперметра достигается с помощью шунта в цепях постоянного тока (рис. 5.1,6) и с помощью измерительного трансформатора тока в цепях переменного тока (рис. 5.1,в).

Расширение пределов измерения вольтметра достигается с помощью дополнительного резистора в цепях постоянного тока (рис. 5.2,6) и с помощью измерительного трансформатора напряжения в цепях переменного тока (рис. 5.2,в).

Для минимизации влияния амперметра на величину измеряемого тока необходимо, чтобы его внутреннее сопротивление было много (как минимум, на два-три порядка) меньше сопротивления участка электрической цени, в которой он включен. Для минимизации влияния вольтметра на величину измеряемого напряжения необходимо, чтобы его внутреннее сопротивление было много (как минимум, на два-три порядка) больше сопротивления включенного параллельно вольтметру элемента участка электрической цепи.

Измерение мощности

Измерение мощности в цепях постоянного тока. Мощность в цепи постоянного тока может быть измерена косвенным методом с помощью амперметра и вольтметра (рис. 5.3,а) или непосредственно электродинамическим ваттметром (рис. 5.3,6).

Электродинамический ваттметр состоит из двух катушек: неподвижной с малым сопротивлением (обычно называемой токовой обмоткой) и подвижной с большим сопротивлением (обычно называемой обмоткой напряжения). Токовая обмотка включается последовательно с нагрузкой , обмотка напряжения включается параллельно нагрузке. В результате взаимодействия магнитных полей подвижной и неподвижной катушек возникает вращающий момент, вызывающий отклонение подвижной части прибора и соединённой с ней стрелки (указателя). При постоянном токе он пропорционален произведению силы тока на напряжение, т.е. мощности, потребляемой в цепи постоянного тока.

Чтобы стрелка прибора отклонялась от нуля вправо, необходимо через катушки пропускать токи в определенном направлении. Для этого два зажима прибора, соединенные с началом обмоток, обозначаются знаком «*» и электрически соединяются. Они должны быть подключены к положительному полюсу источника питания.

Измерение мощности в однофазной цепи. Активная мощность в цепи однофазного синусоидального тока может быть измерена косвенным методом с помощью амперметра, вольтметра и фазометра или непосредственно электродинамическим ваттметром. Обмотки ваттметра подключают так же, как и при измерении мощности, потребляемой в цепи постоянного тока. Вращающий момент прибора пропорционален средней, или активной, мощности . По углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о величине активной мощности, потребляемой цепью.

При измерении ваттметром активной мощности в цепях низкого напряжения с большими токами применяют трансформаторы тока. Для определения мощности в этом случае нужно показание ваттметра умножить на коэффициент трансформации трансформатора тока.

В цепях высокого напряжения с большими токами при измерении активной мощности используются измерительные трансформаторы напряжения и тока. Для получения мощности нужно показание ваттметра умножить на произведение коэффициентов трансформации трансформаторов напряжения и тока.

Реактивная мощность в цепи однофазного синусоидального тока может быть измерена косвенным методом с помощью амперметра, вольтметра и фазометра или непосредственно специальным ваттметром (варметром), имеющим усложненную схему параллельной цепи с целью получения фазового сдвига между векторами тока и напряжения этой цепи, равного 90°.

Измерение мощности в трехфазной цепи. Активную мощность трехфазной цепи при симметричной нагрузке можно определить при помощи трех приборов: амперметра, вольтметра и фазометра — по формуле , где и — линейные напряжения и ток, а — угол сдвига между фазным напряжением и током.При симметричной нагрузке активную мощность трехфазной цепи можно измерить непосредственно одним ваттметром (рис. 5.4). Умножая показание ваттметра на 3, получаем значение активной мощности цепи при симметричной нагрузке.

Активная мощность в трехфазной цепи с нулевым проводом может быть определена как сумма показаний трех ваттметров, включенных, как показано на рис. 5.5.

Мощность трехфазной цепи без нулевого провода при любой нагрузке (симметричной и несимметричной) независимо от способа соединения потребителей (звездой или треугольником) может быть измерена по схеме двух ваттметров (рис. 5.6,а). Докажем, что ваттметры измеряют активную мощность в трехфазной цепи.

Мгновенное значение мощности, измеряемой первым и вторым ваттметром, . Так как или . Так как в трехпроводной трехфазной цепи .

Из полученного выражения следует, что суммарная мгновенная мощность, измеряемая двумя ваттметрами (рис.5.6), равна активной мощности в трехфазной цепи.

В соответствии с (2.51) измеренная по способу двух ваттметров активная мощность трехфазной системы, выраженная через действующие значения токов и напряжений,

где и показания первого и второго ваттметров.

Так как косинусы углов в (5.7) могут быть как положительными, так и отрицательными, активная мощность, измеренная по методу двух ваттметров, равна алгебраической сумме их показаний.

Читайте также:  Измерение сопротивления изоляции фирмы

На рис. 5.6,б представлена векторная диаграмма токов и напряжений для схемы, изображенной на рис.5.6,а, при симметричном приемнике, включенном звездой. Диаграмма поясняет измерение активной мощности с помощью двух ваттметров. На векторной диаграмме угол между векторами и равен , угол между векторами и равен , а — угол между линейными напряжением и током. Следовательно, мощность трехфазной системы при симметричной нагрузке

Реактивную мощность в трехфазной цепи можно измерить с помощью варметров по аналогичным схемам, представленным на рис.5.4 и 5.5.

В трехфазной трехпроводной цепи при симметричной нагрузке реактивную мощность можно определить по показаниям двух ваттметров (рис.5.6,а)

Измерение энергии в цепях переменного тока

Учет электроэнергии, отдаваемой электростанциями в сеть или получаемой отдельными потребителями, осуществляется с помощью счетчиков электрической энергии.

Электрическая энергия (работа) определяется произведением электрической мощности в ваттах на время. За единицу электрической энергии принимают ватт-секунду, т. е. работу, которую совершает в цепи ток в 1 ампер при напряжении в 1 вольт в течение 1 секунды. Для практических расчетов берется единица более крупная — ватт-час (3600 ватт-секунд) или кратные ей гектоватт-час (100 ватт-час.) и киловатт-час (1000 ватт-час.).

Для учёта активной и реактивной электроэнергии переменного тока служат индукционные одно- и трёхфазные счетчики, для учёта расхода электроэнергии постоянного тока — электродинамические счётчики.

Наиболее популярным в последнее время становятся электронные счетчики, имеющие лучшие по сравнению с традиционными счетчиками электроэнергии метрологические характеристики. Принцип действия таких счетчиков заключается в периодическом аналого-цифровом преобразовании получаемых с помощью первичных преобразователей текущих значений тока и напряжения и последующем вычислении цифровым процессором мощности и энергии и регистрации полученных результатов.

Электронные счетчики применимы для измерения мощности и энергии как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока. Область их применения определяется лишь первичными преобразователями и алгоритмом обработки получаемых с их помощью текущих значений тока и напряжения.

Измерение неэлектрических величин электрическими методами

Существует ряд способов измерения неэлектрических величин, различающихся по виду энергии сигнала измерительной информации.

Однако мы рассмотрим только наиболее распространенный электрический способ измерения. Для его реализации необходимо преобразовать измеряемую неэлектрическую величину в пропорциональный электрический сигнал. Эту задачу выполняют измерительные преобразователи (преобразователи физической величины, датчики, первичные преобразователи).

Преобразователь физической величины — устройство, предназначенное для восприятия и преобразования контролируемой физической величины в выходной сигнал.

По виду выходного сигнала датчики подразделяются на две большие группы: генераторные (с выходной величиной или и внутренним сопротивлением ) и параметрические (с ЭДС и выходной величиной в виде изменения или в функции ).

Функции преобразовании первичного преобразователя — это функциональная зависимость выходной величины от входной , описываемая аналитическим выражением или графиком. Чаще всего стремятся обеспечить линейную зависимость между изменением входной величины и соответствующим приращением выходной величины преобразователя, т.е. получить линейную характеристику преобразования. Для ее описания достаточно двух параметров: начального значения выходной величины соответствующего нулевому значению входной величины , и показателя относительного наклона характеристики , называемого чувствительностью преобразователя.

Чувствительность преобразователя — характеристика, определяемая отношением изменения выходного сигнала к вызывающему его изменению измеряемой физической величины. Это, как правило, именованная величина с разнообразными единицами, зависящими от природы входной и выходной величин. Для реостатного преобразователя (реостата, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины) входной величиной является перемещение движка, а выходной величиной — сопротивление, единица чувствительности — Ом/мм. Для термопары единица чувствительности — мВ/К.

Функцию преобразования обычно приходится находить экспериментально, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитически.

Часто у преобразователей выходной сигнал зависит не только от входной измеряемой величины , но и от внешнего фактора ,т. е. функция преобразования в общем виде, .

В этом случае при градуировке определяется ряд функций преобразования при разных значениях .

Знание функций преобразования при разных значениях влияющего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора.

При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в паспорте первичного преобразователя приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Отклонение реальной характеристики преобразователя от его номинальной характеристики рассматривается как погрешность преобразователя.

При оценке и сравнении измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные параметры:

  • коэффициент преобразования — величину, характеризующую отношение параметров входного и выходного сигналов;
  • рабочий диапазон (минимальный и максимальный уровень измеряемой величины);
  • погрешность — характеристика, количественно выражающая отклонение номинального значения измеряемой физической величины от ее истинного значения.

Основные параметры преобразователя могут дополняться такими дополнительными параметрами, как:

  • диапазон рабочих температур;
  • нестабильность коэффициента преобразования (например, зависимость его от температуры);
  • нелинейность коэффициента преобразования;
  • частотные свойства преобразователя;
  • внешние условия работы преобразователя:
  • напряжение питания преобразователя.

К первичным преобразователям предъявляют требования воспроизводимости и однозначности характеристики преобразования , стабильности во времени характеристики преобразователя, минимального обратного действия преобразователя на исследуемый объект, быстродействия и др.

Читайте также:  Как измерить напряжение 12в мультиметром

Первичные измерительные преобразователи очень разнообразны по принципу действия, устройству, виду энергии входного сигнала, метрологическим и эксплуатационным характеристикам.

Па вход первичного преобразователя кроме входной величины действуют и другие параметры объекта и окружающей среды. В этих условиях первичный преобразователь должен избирательно реагировать только на значение входной величины и не реагировать на влияние всех остальных факторов. Задача подавления чувствительности первичного преобразователя к влияющим величинам относится к важным задачам, решаемым конструктивными и схемными методами.

Выходной сигнал первичного преобразователя поступает в измерительную цепь, осуществляющую измерительное преобразование и формирование выходного сигнала, а также коррекцию отдельных составляющих систематической погрешности. Схема измерительной цепи зависти от типа первичного преобразователя, его выходной мощности, от требований к точности и быстродействию измерительного устройства.

Цифровые измерительные приборы

Все приборы делятся на аналоговые и цифровые. Первые обычно показывают значение измеряемой величины посредством стрелки, перемещающейся по шкале с делениями. Вторые снабжены цифровым дисплеем, который показывает измеренное значение величины в виде числа. Цифровые приборы в большинстве измерений более предпочтительны, так как они более точны, более удобны при снятии показаний и, в общем, более универсальны. Аналоговые приборы постепенно вытесняются цифровыми, хотя они еще находят применение там, где важна низкая стоимость и не нужна высокая точность.

По принципу действия и конструктивному исполнению цифровые приборы разделяют на электромеханические и электронные. Электромеханические приборы имеют высокую точность, но малую скорость измерений. В электронных приборах используется современная элементная база электроники. Несмотря на схемные и конструктивные особенности, принцип построения ЦИП одинаков.

Во всех цифровых приборах аналоговый измеряемый сигнал (выходной сигнал первичного преобразователя) с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) должен быть преобразован в цифровую форму.

Уровень сигналов от первичных преобразователей, как правило, недостаточен для работы АЦП, который преобразует напряжение в цифру в строго ограниченном диапазоне от минимального уровня напряжения до максимального уровня напряжения . Для того чтобы согласовать уровни и величину выходного сигнала первичного преобразователя и уровни и величину входных сигналов вторичного преобразователя (согласовать размах сигнала первичного преобразователя и диапазон работы вторичного преобразователя), требуется усилить сигнал первичного преобразователя. При этом может возникнуть необходимость согласовать нулевой уровень сигнала первичного преобразователя с нулевым уровнем шкалы вторичного преобразователя, который может быть равен или ( или иметь какое-то иное значение для конкретного случая.

Искажения, вносимые усилителем в усиливаемый сигнал, не должны превышать допустимые искажения. Эти искажения могут быть вызваны как нелинейностью коэффициента передачи усилителя для разных уровней входного (выходного) сигнала, гак и дополнительными источниками тока и напряжениями, возникающими в усилителе, с которыми суммируется входной сигнал. К этим дополнительным источникам относятся:

  • напряжение смещения пуля усилителя;
  • входные токи усилителя;
  • шумы усилителя.

Кроме этого, входной сигнал может искажаться из-за несоответствия частотного диапазона усилителя и частотному спектру сигнала. Например, если усилитель не достаточно быстродействующий, то мелкие детали исследуемого физического процесса не будут анализироваться при эксперименте.

Если полезной информацией является амплитуда импульсов первичного преобразователя, а усилитель не пропускает постоянной составляющей сигнала, то при изменении частоты повторения импульсов и длительности импульсов будет изменяться постоянная составляющая сигнала, а так как она не пропускается усилителем, то амплитуда импульсов на выходе усилителя будет искажена.

В связи с тем, что шумы занимают всю полосу частот, а искомый сигнал первичного преобразователя имеет 01раниченную полосу частот, то для увеличения отношения сигнал/шум полоса частот усилителя не должна превышать полосу частот сигнала. Для ограничения полосы частот сигнала применяют соответствующие фильтры верхних и нижних частот.

Обработанный таким образом исходный аналоговый сигнал преобразуется АЦП в цифровую форму. Результат аналого-цифрового преобразования выводится индикатор (дисплей).

К наиболее важным характеристикам цифровых измерительных приборов относятся: разрешающая способность, входное сопротивление, быстродействие (число измерений в секунду), точность (близость результата к истинному значению величины), помехозащищенность.

Применение в цифровых измерительных приборах в качестве устройства управления микроконтроллеров позволяет существенно повысить их точность, расширяет возможности и упрощает управление процессом измерений, автоматизирует калибровку и проверку приборов, позволяет выполнять вычислительные операции, создавать полностью автоматизированные программно управляемые приборы.

Эта теория взята со страницы помощи с заданиями по электротехнике:

Возможно эти страницы вам будут полезны:



Изучу , оценю , оплатите , через 2-3 дня всё будет на «4» или «5» !

Откройте сайт на смартфоне, нажмите на кнопку «написать в чат» и чат в whatsapp запустится автоматически.

f9219603113@gmail.com


Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.9219603113.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник