МЕРНИ ПРЕТВАРАЧ НАИЗМЕНИЧНЕ ЕЛЕКТРИЧНЕ СТРУЈЕ У ЈЕДНОСМЕРНИ НАПОН Петар Бошњаковић, Борислав Хаџибабић, Милутин Нешић, Ненад Толић Кључне речи: мерење наизменичне струје, усмерачи, КРАТАК САДРЖАЈ У раду је описано оригинално решење електронског мерног склопа за прецизно мерење наизменичне електричне струје. Диференцијална структура електронског кола ефикасно решава проблем мерења наизменичних електричних величина обезбеђујући високе перформансе, једноставност и економичност изведбе. AC CURENT TO DC VOLTAGE MEASURING TRANSDUCER Keywords: AC curent measurement, measuring transducer ABSTRACT An original solution of high-accuracy electronic AC current to DC voltage measuring transducer is presented in this paper. Differential structure of electronic circuit provides an efficient solution of AC quantities measurement, enabling high performances, simplicity and low cost.
УВОД Мерење наизменичне струје спада у основна мерења у енергетици. У систему наизменичних електричних величина интензитет струје одређен је њеном амплитудом која се, међутим, најчешће мери посредно, одређивањем ефективне вредности или средње вредности у току једне полупериоде мерног сигнала. У савременим вишеканалним мерним уређајима намењеним за примену у склопу комплексних система за надзор и управљање сложеним индустријским постројењима, мерење процесних величина заснива се на примени мерних претварача који остварују пресликавање мерене величине у нормализовани једносмерни напонски или струјни сигнал. Све строжи захтеви у погледу перформанси мерних система, са једне стране, и све већи број мерних места са друге, подстичу развој нових решења у циљу остваривања што бољег односа перформансе/цена мерног уређаја. ПРИНЦИП РАДА Реализација електронског склопа за мерење наизменичне струје подразумева решавање два основна проблема: 1) прилагођење нивоа мерног сигнала могућностима електронских кола; ) обраду временски променљивог мерног сигнала у циљу добијања нормализованог једносмерног електричног сигнала чија је вредност сразмерна вредности одговарајућег параметра којим се карактерише интензитет мерене наизменичне величине. Први проблем се решава помоћу струјних мерних трансформатора који омогућују потребно скалирање (пресликавање мерене наизменичне струје, чији је интензитет реда величине неколико ампера или десетина ампера, у струјни сигнал чији је интензитет неколико милиампера), као и галванско раздвајање улаза и излаза, које се код мерних претварача електроенергетских величина захтева, [1]. Други проблем се решава применом одговарајућих електронских кола. Када је реч о индустријским мерењима, најчешће се примењују решења у аналогној техници чији је принцип деловања заснован на исправљању наизменичног сигнала применом функционалних блокова (елемената односно кола) са нелинеарном функцијом преноса којима се врши усмеравање сигнала. Једносмерна компонента овако добијеног сигнала сразмерна је амплитуди улазне наизменичне величине. У основи свих ових решења налази се усмерачко коло за једнострано (полуталасно) исправљање (слика 1.а) чија је улазно/излазна карактеристика дефинисана релацијом: X : X 0 0 : X < 0 Y ( X ), (1) у којој X представља улазну, а Y излазну величину (сигнал). Када улазна величина представља наизменични сигнал: ( t) X sin t, () X M ω
једносмерна компонента исправљеног сигнала, Y(t), је сразмерна амплитуди X M сигнала X(t): Y ( t) kx M. (3) Практична реализација електронског исправљачког кола заснована је на употреби диоде као усмерачког елемента (слика 1.б). У прецизним инструментима уобичајена је примена кола за полуталасно исправљање са операционим појачавачем, (слика 1.в), [], [3], [4]. Са становишта хармонијског састава сигнала на излазу исправљача, повољније решење представља усмерачко коло за двострано (пуноталасно) исправљање чија је улазно/излазна карактеристика дефинисана релацијом: X : X 0 Z X : X < 0 ( X ) X (4) Y U X U Y U X U Y X а) б) в) Слика 1. Коло за усмеравање Ефекат потпуног (двостраног) усмеравања може се остварити применом идентитета: Z ( X ) Y ( X ) Y ( X ), (5) Одговарајуће коло за добијање апсолутне вредности приказано је на слици, [5]. Недостатак примене оваквог решења за мерење наизменичог напона огледа се потреби за додатним колом за добијање средње вредности излазног сигнала. Диференцијални појачавач на излазу кола се не може применити и за издвајање једносмерне компоненте исправљеног напона, U Y (t), која је сразмерна амплитуди U наизменичног напона, U X (t), на улазу кола: U ( t) U sinω t, U ( t) ku, (6) X Y Z U X U Y X Слика. Коло за добијање апсолутне вредности Ефекат потпуног усмеравања може се остварити и применом идентитета: Z ( X ) Y ( X ) X. (7)
То је уобичајени начин за прецизно потпуно (двострано) исправљање наизменичног напона, [6]. Конвертор наизменичне електричне струје у једносмерни напон, заснован на оваквом начину мерења, приказан је на слици 3. Помоћу отпорника R у колу секундара струјног мерног трансформатора ST добија се напон пропорционалан вредности мерене струје. Помоћу операционог појачавача OP 1, отпорника R 1 и R, као и диода D 1 и D, остварује се полуталасно исправљање. Операциони појачавач OP у чијем колу повратне спреге се налазе отпорник R 5 и кондензатор C, остварује улогу сабирача и филтра пропусника ниских учестаности, помоћу којег се одређује једносмерна компонента двострано исправљеног сигнала. D OP 1 D 1 C R R 1 R 3 R 5 ST U 1 (t) U i (t) R R 4 OP U O Слика 3. Конвенционално решење мерног претварача наизменичне струје На излазу појачавача OP добија се позитиван једносмерни напон U О сразмеран средњој вредност збира два напона: једносмерног непозитивног напона који је са излаза исправљачког кола прикључен преко отпорника R 3, и наизменичног напона U i (t) сразмерног вредности мерене струје, који је, са отпорника R у колу секундара мерног трансформатора, прикључен преко отпорника R 4. Вредности отпорности у колу морају бити подешене тако да је испуњен услов: R R R 1 4 R3 (8) ОПИС РЕШЕЊА Нови мерни претварач наизменичне електричне струје у једносмерни напон, представљен у овом раду, састоји се од струјног мерног трансформатора и електронског кола којим се остварује ефект потпуног, двостраног исправљања струје секундара струјног мерног трансформатора, два идентична исправљачка кола, реализована са два операциона појачавача, по један у сваком колу, при чему је секундар струјног мерног трансформатора директно прикључен између инвертујућих улаза операционих појачавача. На описани начин образован је комплементарни пар кола за полуталасно исправљање, на чијим се излазима добијају напонски сигнали истог поларитета, али који одговарају различитим полупериодама секундарне струје, тако да се њиховим сабирањем постиже ефект потпуног, двостраног исправљања. Посматрани у временском односу, два непозитивна напонска сигнала, U 1 и U, одговарају различитим полупериодама струјног сигнала i(t) генерисаном на секундару струјног мерног трансформатора. То омогућује да се ефект двостраног исправљања постигне њиховим
сабирањем, што се остварује колом са операционим појачавачем OP 3 које истовремено обавља и функцију кола за добијање средње вредности. Напон U 1 (t) који се добија на аноди диоде D 1 одређен је формулом: R1 i( t ) ; i( t ) 0 U 1( t ) (9) 0 ; i( t ) < 0 у којој i(t) представља секундарну струју мерног трансформатора, за коју је усвојено да има позитиван смер када утиче у виртуелну масу операционог појачавача OP 1. D 3 ST OP 1 R 1 D 1 R 3 ј C I i U 1 (t) U (t) R 5 R R 4 OP 3 D U O OP D 4 Слика 4. Електрична шема прецизног мерног претварача наизменичне струје Напон U (t) на аноди диоде D одређен је формулом: 0 ; i( t) 0 U ( t) (10) R i( t) ; i( t) < 0 Укупна струја ј(t) која кроз отпорнике R 3 и R 4 утиче у виртуелну масу појачавача OP 3 једнака је: U 1( t ) U + ( t ) j( t ) R R 3 4 R 1 i( R3 R i( t R4 t )zai( t ) zai( t ) 0 ) < 0 (11) при чему је за позитивни смер усвојен смер струје која утиче у виртуелну масу операционог појачавача OP 3. Уколико вредности отпорности у колу задовољавају услов: R1 R4 1 (1) R R струја ј(t) представља двострано исправљену секундарну струју i(t): 3 i( t ) ; i( t ) 0 j ( t ) mod i( t ) (13) i( t ) ; i( t ) < 0
Oтпорник R 5 и кондензатор C у колу негативне повратне спреге операционог појачавача OP 3 омогућују добијање напона сразмерног средњој вредности струје ј(t). Оваква спрега обезбеђује неколико значајних предности у поређењу са познатим решењем: 1) Секундар струјног мерног трансформатора практично се налази у условима кратког споја. Оба краја секундара се налазе на истом потенцијалу (виртуелне масе операционих појачавача), независно од тренутне вредности мерене струје. Тиме је постигнут идеалан радни режим струјног мерног трансформатора. У конвенционалном решењу, пад напона на отпорнику R представља извор информације о вредности мерене струје, а истовремено извор грешке у преносу струјног мерног трансформатора; ) Ново решење захтева мањи број прецизних мерних отпорника, а осим тога и погоднији однос њихових вредности. У принципу, сви мерни отпорници могу имати исту вредност, што је у конвенционалном решењу недопустиво; 3) У новом решењу мерно коло прaктично не оптерећује извор референтног нултог потенцијала у односу на који је дефинисан излазни напон. У колу приказаном на слици део секундарне струје струјног мерног трансформатора протиче кроз извор референтног (нултог) потенцијала, стварајући на његовој унутрашњој отпорности пад напона који представља сметњу у односу на једносмерни излазни сигнал. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ РЕЗУЛТАТИ Експериментални резултати добијени мерењем у лабораторији у потпуности потврђују оправданост описаног приступа при пројектовању кола. IMP, ROTEK 600, HP3458 100 50 0-50 0 4 6 8 10 1-100 ЗАКЉУЧАК Ново решење на јединствен начин ефикасно решава проблем мерења наизменичне електричне струје, обезбеђујући високе перформансе, једноставност и економичност. ЗАХВАЛНОСТ Испитивање преиказаног мерног претварача наизменичне струје у једносмерни напон извршено је у Институту Михајло Пупин и Лабораторији за наизменични напон и струју Савезног завода за мере и драгоцене метале. Аутори захваљују колегама из Инстутута и Завода на показаном разумевању и доказаном стрпљењу при испитивању прототипа мерног уређаја.
ЛИТЕРАТУРА 1 3 4 5 6 Мерни претварачи и суматори, Техничка препорука ТП-17, ЗЕП, 1984. Millman J., Halkias C., Integrated electronics, analog and digital circuits and systems, Mcgraw-Hill, 197, pp 57. Widlar J. R, A Monolitic Operational Amplifier, SGS-Fairchild Application Report, AR-19, April 1964. -, Digital Multimeter 5100, Racal-Dana nstruments Inc, 1979. Sheingold D.H., Nonlinear circuits handbook, Analog Devices, 1974, 1976 (руски превод Справочник по нелинейным схемам, Мир, 1977, с 146). Greame J, Tobey G, Huelsman L. Operational amplifiers, design and aplications, Mc Graw-Hill, 1971, pp49.