Підвищення точності аналого-цифрових перетворювачів електроенергії

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування

ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ АНАЛОГО-ЦИФРОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ

Виконала Влах Галина Іванівна

Львів - 2006



АНОТАЦІЯ

Влах Г.І. Підвищення точності аналого-цифрових перетворювачів електроенергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 - елементи та пристрої обчислювальної техніки та систем керування. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2006.

Дисертація присвячена розробці, дослідженню принципів побудови та створенню нових конкурентоспроможних аналого-цифрових перетворювачів електроенергії (АЦПЕ), які мають підвищену точність та великий , більше 8 років, термін роботи без перевірки.

Виконано класифікацію перетворювачів. Запропоновано та розроблено нові АЦПЕ, а саме:

1) з дистанційною передачею результату;

2) підвищеної точності з дистанційною передачею результату;

3) зі зменшеним часом перевірки. Розроблено принципові схеми та макетні зразки для запропонованих АЦПЕ. Зокрема запропоновано виконати перший тип на аналоговому перемножувачі на ефекті оберненої функції, другий і третій тип - на запатентованому нами аналоговому перемножувачі з подвійною частотною модуляцією. Розроблено та досліджено основні вузли АЦПЕ, зокрема вдосконалено та підвищено точність таких із них, як аналоговий перемножувач та перетворювач напруга-частота. Запропоновано аналітичні вирази для характеристик перетворення та оцінки похибок АЦПЕ. Запропоновані АЦПЕ використано у п`ятьох держбюджетних темах і впроваджені в процес експрес-аналізу технічного стану приладів і автоматизованих систем обліку електроенергії на підприємстві “Енергозбереження-2002”.

цифровий перетворювач електроенергія похибка



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Науково технічний прогрес супроводжується невпинним ростом енергоозброєнності людства. Серед різних видів енергії особливе місце займає електрична. Вона може бути одержана порівняно просто і з малими затратами, зручна для перетворень і передавання на відстань, екологічно чиста, тощо. Лише в Україні річна потреба в електроенергії становить біля 600 мільярдів кіловат-годин.

У зв'язку з величезними обсягами використовуваної електроенергії в даний час все більшого поширення набувають комп'ютеризовані системи керування процесами виробництва і транспортування електроенергії, що дозволяють одночасно збирати інформацію як по цифрових каналах, так і по імпульсних каналах. При цьому особливу увагу привертають такі елементи систем керування як аналого-цифрові перетворювачі електроенергії (АЦПЕ), оскільки вони забезпечують перетворення вимірювальної інформації про кількість виробленої чи спожитої електроенергії у форму сигналу, зручну для передавання вищезгаданими каналами зв'язку.

Загальноприйнятої класифікації АЦПЕ не існує; їх можна поділити на два класи: електро-механічні (іноді їх ще називають індукційними) й електронні.

Широке впровадження комп'ютеризованих систем керування викликало інтенсивний розвиток електронних АЦПЕ, котрі мають значно ширші функціональні можливості порівняно з електро-механічними: дистанційне передавання результатів виміру, можливість переходу на денний і нічний тарифи, обмеження відпуску енергії згідно з попередньою оплатою та ін.

Хоча в даний час вже появилося порівняно багато різних моделей електронних АЦПЕ, питання розробки та оптимізації їх схемних і конструкторських рішень вивчені недостатньо.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розроблення засобів аналого-цифрового перетворення витрат електроенергії з підвищеною точністю та спрощеною реалізацією для широкого вжитку індивідуальними та промисловими споживачами.

Відповідно до поставленої мети завданнями досліджень були:

1. Класифікація та критичний аналіз параметрів і характеристик АЦП витрат електроенергії.

2. Покращення метрологічних характеристик АЦПЕ шляхом удосконалення їх вузлів і застосування структурних методів корекції похибок.

3. Аналіз принципів побудови, розробка та дослідження основних вузлів АЦПЕ підвищеної точності та швидкодії.

4. Отримання аналітичних виразів для характеристик перетворення та оцінки похибок розроблених АЦПЕ та їх окремих вузлів.

5. Розроблення та дослідження макетних зразків АЦПЕ підвищеної точності.

Об'єкт дослідження - процес аналого-цифрового перетворення інформації про стан фізичних об'єктів.

Предмет дослідження - засоби аналого-цифрового перетворення витрат електроенергії з підвищеною точністю і спрощеною реалізацією.

Методи дослідження. У роботі використовувалися методи теорії лінійних електричних кіл для дослідження властивостей і визначення характеристик перетворення АЦПЕ, узагальнений матричний метод для аналізу основних вузлів АЦПЕ, методи систем керування для підвищення точності аналогових перемножувачів і швидкодії компенсаційних інтегруючих перетворювачів напруга-частота, теорії похибок для оцінки похибок АЦПЕ.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Уперше запропоновано структуру АЦПЕ, котра при простому схемному рішенні має підвищену точність, що дозволяє (за рахунок технологічного запасу по класу точності) тривалу, до 8 років, роботу АЦПЕ без додаткових перевірок.

2. Розроблено метод зменшення часу перевірки АЦПЕ на основі зміни структури перетворювача введенням додаткового контрольного виходу та дільника частоти і підвищення вихідної частоти перетворювача напруга-частота (ПНЧ) і аналогового помножувача (АП).

3. Виведено аналітичні вирази для характеристик перетворення та оцінки похибок розроблених АЦПЕ.

4. Запропоновано аналоговий перемножувач, в якому підвищено точність за рахунок використання подвійної частотної модуляції.

5. Отримав подальший розвиток структурний метод підвищення швидкодії компенсаційних інтегруючих ПНЧ шляхом заміни активного інтегратора напруги на пасивний інтегратор струму і введенням у ПНЧ додаткового функціонального вузла - перетворювача напруга-струм.

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

- розроблено принципові схеми АЦПЕ і на їх базі виготовлено та досліджено декілька макетних зразків АЦПЕ;

- отримано розрахункові співвідношення для окремих вузлів АЦПЕ та наведено практичні рекомендації щодо їх реалізації;

- розроблено низку аналогових вузлів АЦПЕ, зокрема, компенсаційний генератор струму, компенсаційний перетворювач напруга-струм, компенсаційний ПНЧ, АП на основі оберненої функції, АП з подвійною частотною модуляцією, перемикач полярності;

- розроблені АЦПЕ підвищеної точності можуть використовуватися в комп'ютеризованих системах керування процесами виробництва і транспортування електроенергії, а також - служити базовими структурами електронних лічильників електроенергії як промислового, так і побутового використання;

- розроблені АЦПЕ та їх окремі вузли використано у низці держбюджетних науково-дослідних робіт і використовуються при проектуванні та експрес-аналізі приладів і автоматизованих систем обліку енергоносіїв на підприємстві “Енергозбереження -2002” (м. Львів) і у навчальному процесі на кафедрі автоматики та телемеханіки Національного університету “Львівська політехніка” у курсах “Основи проектування та САПР” і “Програмно-технічні засоби автоматизації вимірювань, контролю та діагностики”.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено зв'язок з науковими програмами, планами та темами. Сформульовано мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність роботи. Наведено відомості про впровадження результатів роботи, їх апробацію та публікації.

У першому розділі проведено огляд і аналіз існуючих АЦПЕ та виконано їх класифікацію. Можна виділити основні групи - електромеханічні та електронні АЦПЕ, існують також комбіновані, тобто електромеханічні з блоком електроніки. Встановлено, що електромеханічні АЦПЕ забезпечують клас точності не вище 2,0. Електронні відрізняються між собою в основному виконанням аналогового перемножувача. Для АЦПЕ будь-якого типу актуальним є виконання додаткових функцій, таких як дистанційне передавання даних, багатотарифність, тощо. Особливі вимоги ставляться до терміну безперевірочної роботи. При підвищенні точності електронних АЦПЕ необхідно враховувати вплив параметрів вимірювальних трансформаторів струму та напруги, оскільки клас точності останніх звичайно біля 0,1.

Розділ другий присвячено аналізу загальних принципів виміру електроенергії, розробці та аналізу принципів побудови АЦПЕ. АЦПЕ можуть виконуватися або з перемноженням діючих значень, або з перемноженням миттєвих значень. Найпоширенішим є другий варіант. На основі проведеного аналізу сформульовані загальні та часткові вимоги до АЦПЕ та розроблено структурні схеми. До загальних вимог відносять вихідний сигнал у вигляді коду, клас точності не гірше 1,0 при зниженому енергоспоживанні до 4 ВА. До часткових - призначення (системи автоматичного керування чи індивідуальні споживачі), вартість, обсяги випуску, тощо. Для забезпечення цих вимог визначальним є виконання та характеристики блоку аналогового перемноження та вхідного блоку, для якого можливі варіанти безпосереднього або трансформаторного підімкнення вхідних кіл.

Запропоновано АЦПЕ з дистанційним передаванням результату. Він призначений для автоматичних систем керування. Розроблену структурну схему АЦПЕ. Вона містить вхідний блок (ВБ), аналоговий перемножувач (АП), перетворювач напруга-частота (ПНЧ), блок керування (БК), лічильник нуля (ЛН), регістр пам'яті (РП), формувач інтервалів часу (ФІЧ), виконаний на кварцовому генераторі (КГ) та дільнику частоти (ДЧ), елемент збігу (ЕЗ) і вихідний блок, що містить дільник частоти (ДЧ) і формувач імпульсів (ФІ). В АЦПЕ використані частотно-імпульсні ознаки сигналів для зв'язку із системою автоматичного керування, причому у лінію зв'язку передаються імпульси струму. Цим забезпечується просте схемне рішення вихідного формувача, а також виключається вплив параметрів лінії зв'язку; останнє зумовлене тим, що формувач є по суті генератором струму, вихідний опір якого перевищує 1 МОм і порівняно з ним опором лінії зв'язку можна нехтувати.

Вихідний сигнал аналогового перемножувача (U_ап) рівний

U_ап=K_прU_шU_{д ,}

де K_пр - коефіцієнт пропорційності; U_ш - напруга на виході шунта вхідного блоку, що рівна добуткові струму мережі (I) на опір () шунта



Де U_д - напруга на виході дільника напруги вхідного блоку, що рівна добуткові напруги мережі (U) на коефіцієнт ділення () дільника напруги

;

.

Тут K_пп-коефіцієнт передачі перемикача полярності вхідного блоку; K_ап-коефіцієнт перетворення аналогового перемножувача.

Частота на виході перетворювача напруга-частота (F_х) рівна

F_х=K_пнчU_ап,

де K_пнч-коефіцієнт перетворення ПНЧ.

Частотний вихідний сигнал ПНЧ, що є пропорційним потужності навантаження (P)

,

підводиться до елемента збігу ЕЗ, на виході якого утворюється число-імпульсний код (N), пропорційний кількості спожитої електроенергії

, (1)

де T_i-час інтегрування, тобто час, протягом якого через АЦПЕ протікає споживана енергія.

З формули (1) видно, що функція перетворення розробленого АЦПЕ з дистанційним передаванням результату є лінійною.

Запропоновано також АЦПЕ підвищеної точності з дистанційним передаванням результату. Підвищена точність забезпечується використанням запропонованого нами аналогового перемножувача на основі подвійної частотної модуляції (АПЧМ). Особливістю такого АП є частотний вихідний сигнал.

Вихідний сигнал АПЧМ (F) рівний

.

Тут U_вх1 і U_вх2 - відповідно сигнали на першому і другому входах АПЧМ,

K_апчм - коефіцієнт перетворення АПЧМ.

Сигнали на входах АПЧМ:

,

де K_вп - коефіцієнт передачі випрямляча вхідного блоку.

Частотний вихідний сигнал АПЧМ, що є пропорційним активній потужності навантаження (P), підводиться до елемента збігу ЕЗ, на виході якого утворюється число-імпульсний код, значення якого N пропорційне кількості спожитої електроенергії

,

де T_i - час інтегрування, тобто час, протягом якого через АЦП електроенергії протікає споживана енергія.

Вихідний сигнал АЦПЕ пропорційний спожитій електроенергії:

. (2)

Як видно з формули (2), функція перетворення розробленого АЦПЕ підвищеної точності є лінійною.

Недоліком відомих АЦПЕ є порівняно великий час перевірки через необхідність загальноприйнятої фіксації результату у кіловат-годинах. Наприклад, при напрузі і струмі електромережі відповідно 220 В і 5 А для перевірки АЦПЕ потрібно майже 30 хвилин (час, необхідний для зміни показів АЦПЕ, достатньої для перевірки - на п'ять одиниць молодшого розряду, оскільки похибка відліку є рівною одиниці молодшого розряду, а перевірка повинна вестися з похибкою хоча б у п'ять раз меншою).

Зменшення часу перевірки АЦПЕ приводить до здешевлення та покращення технології перевірки АЦПЕ, зокрема стає можливою швидка перевірка АЦПЕ на місці їхньої безпосередньої експлуатації. Тому нами запропоновано АЦПЕ із зменшеним часом перевірки. Для цього в АЦПЕ збільшено коефіцієнт перетворення тракту вимірювання.

Запропонований АЦПЕ містить канали вимірюваних сигналів напруги та струму (КН і КС), входи яких підімкнені до проводів електромережі, аналоговий перемножувач АП, входи якого з'єднані з виходами КН і КС, а вихід - з входом перетворювача напруга-частота ПНЧ, лічильник Л, дільник частоти ДЧ, вихід якого з'єднаний з входом лічильника Л, а вхід об'єднаний з виходом ПНЧ і є контрольним виходом (КВ) АЦПЕ. Введення в АЦПЕ додаткового дільника частоти (з коефіцієнтом ділення частоти К_дч), вхід якого об'єднаний з виходом перетворювача напруга-частота і є контрольним виходом АЦПЕ, і збільшення коефіцієнту перетворення тракту вимірювання в К_дч разів (тобто збільшення частоти вихідних імпульсів ПНЧ в К_дч разів) дозволяє в К_дч разів швидше здійснити відлік результату вимірювання на контрольному виході, ніж на виході АЦПЕ. КН і КС виробляють на своїх виходах сигнали, значення яких пропорційні відповідно напрузі та струму електромережі. Вихідні сигнали КН і КС перемножуються в аналоговому перемножувачі АП, вихідний сигнал якого перетворюється у частоту за допомогою ПНЧ. Частота з виходу ПНЧ подається на контрольний вихід КВ безпосередньо, а до входу лічильника імпульсів Л - через дільник частоти ДЧ. Таким чином, лічильник імпульсів Л зафіксує результат виміру спожитої електроенергії N як

, (3)

де F - частота повторення імпульсів на виході ПНЧ; К_дч - коефіцієнт ділення дільника частоти ДЧ; Т_в - час виміру.

Якщо до контрольного виходу КВ підімкнути зовнішній контрольний АЦПЕ, то він зафіксує код

, (4)

де Т_к - час виміру контрольним АЦПЕ.

Оскільки при перевірці код на виході КВ повинен бути рівним коду на виході Л, тобто

, (5)

. (6)

З останньої формули видно, що на контрольному виході КВ результат виміру спожитої електроенергії буде отримано в К_дч разів швидше.

Зауважимо, що при введенні додатково дільника частоти ДЧ з коефіцієнтом ділення К_дч, коефіцієнт перетворення вимірювального тракту повинен бути збільшений в К_дч разів, щоб покази лічильника імпульсів Л запропонованого АЦПЕ були виражені як загально прийнято у кіловат-годинах.

У третьому розділі розроблено та досліджено основні функціональні вузли АЦПЕ, зокрема, компенсаційний генератор струму, компенсаційний перетворювач, компенсаційний перетворювач напруга-струм, прецизійний перетворювач напруга-частота, аналоговий перемножувач на ефекті оберненої функції, аналоговий перемножувач з подвійною частотною модуляцією, перемикач полярності. Найбільш точними та вживаними є компенсаційні генератори струму з використанням операційних підсилювачів і польових чи біполярних транзисторів, які при простому схемному рішенні дозволяють отримати високу стабільність вихідного струму.

З проведеного аналізу компенсаційних генераторів струму на польовому та біполярному транзисторах витікає наступне:

1. Вхідний опір обох схем однаковий і практично рівний синфазному опорові операційного підсилювача (близько 100 МОм). 2. Вищу стабільність і ширший діапазон регулювання вихідного струму забезпечує схема з польовим транзистором.

3. Вихідний опір схеми на польовому транзисторі більш ніж на два порядки вищий, оскільки він практично рівний опору витікання затвор-стік польового транзистора (r_зс100 МОм), а біполярного - опорові переходу база-колектор (R_к ~ 1 МОм).

З виконаного дослідження компенсаційного перетворювача напруга-струм можна зробити наступні висновки:

1. Вихідний струм перетворювача лінійно залежить від вхідної напруги і не залежить від параметрів операційних підсилювачів і польових транзисторів;

2. Вихідний опір перетворювача рівний опору затвор-стік польового транзистора і перевищує 100 МОм;

3. Вхідний опір перетворювача рівний синфазному опору операційного підсилювача на його вході, тобто більший 100 МОм;

4. Спад напруги на навантаженні перетворювача (U_вих) не повинен перевищувати значення

U_вих=E-U_вх-U_cв,

тут Е - напруга живлення, U_cв - напруга стік-витік відкритого польового транзистора на виході;

5. Похибка перетворення може бути зменшена до значення похибки одного резистора, тобто до тисячних часток процента.

На основі проведеного порівняльного аналізу компенсаційних ПНЧ можемо зробити висновок, що ПНЧ з джерелом струму розряду мають більшу стабільність кількості електрики розряду Q_p ніж ПНЧ з дозуючим конденсатором C_q, оскільки похибки опорної напруги U_o і струму розряду I_p приблизно рівні, а похибка часу розряду T_p значно менша похибки C_q , оскільки T_p задається кварцовим генератором. Відносно ПНЧ з джерелом напруги зауважимо, що вони поступаються ПНЧ з джерелом струму через більший вплив неідеальності аналогових ключів, - ключі напруги порівняно з ключами струму мають нижчу швидкодію та значно більшу похибку від опору замкнутого ключа. Отже, найвищу точність мають компенсаційні ПНЧ з джерелом струму розряду. Проте, загальним недоліком всіх інтегруючих компенсаційних ПНЧ є порівняно невисока швидкодія (максимальна вихідна частота), оскільки навіть найкращі компенсаційні ПНЧ забезпечують динамічний діапазон вихідного сигналу не більший 0-100 кГц при вхідному сигналі 0-10 В і похибці перетворення 0,01%.

Запропоновано підвищити швидкодію ПНЧ без погіршення точності шляхом заміни активного інтегратора напруги на пасивний інтегратор струму і введенням у ПНЧ додаткового функціонального вузла - перетворювача напруга-струм. При цьому з кола, охопленого від'ємним зворотним зв'язком, виключається вузол низької швидкодії - ОП, а лінійність не погіршується, бо зміна напруги на конденсаторі (), який є пасивним інтегратором струму, лінійно залежить від струму (І), що підводиться до цього конденсатора:

,

де - час інтегрування, С - ємність конденсатора.

Структурна схема запропонованого нами інтегруючого компенсаційного ПНЧ підвищеної швидкодії, де позначено Інт - інтегратор, ДС - джерело струму розряду, К - ключ, Км - компаратор, ФІЧ - формувач інтервалів часу, КГ - кварцовий генератор, Л - лічильник імпульсів, Т1 і Т2 - перший і другий D-тригери.

Частота повторення імпульсів на виході ПНЧ

де t_p - час розряду конденсатора інтегратора ПНЧ, що рівний періоду повторення імпульсів кварцового генератора; К_п - коефіцієнт перетворення ПНС; І_р - струм розряду; - ємність лічильника імпульсів Л.

Похибка перетворення ПНЧ:

. (7)

Принцип дії розробленого нами АП полягає в тому, що результуюча передавальна функція замкнутої системи, охопленої від'ємним зворотним зв'язком, є оберненою до передавальної функції ланки від'ємного зворотного зв'язку, якщо передавальна функція розімкненого тракту прямує до нескінченості. Оскільки у нашому випадку в колі від'ємного зворотного зв'язку використовуємо перетворювач напруга-частота, у передавальній функції якого виконується операція ділення, то результуюча характеристика цілої схеми є множення. Похибка перетворення запропонованого ПНЧ не перевищуватиме 0,002%, якщо опорну напругу задавати прецизійним стабілітроном, а час розряду - кварцовим генератором.

Напруга на виході ланки зворотного зв'язку

,

де - коефіцієнт перетворення перетворювача частота-напруга, f-вихідна частота перетворювача напруга-частота. Коефіцієнт перетворення перетворювача частота-напруга

.

,

де f_кг - вихідна частота кварцового генератора; - коефіцієнт ділення дільника частоти; R_с - значення опору струмозадаючого резистора; R_і - значення опору. Напруга на першому вході підсилювача-суматора

.



Отже, вихідна напруга розробленого аналогового перемножувача пропорційна добутку двох вхідних напруг i

.

Оскільки в колі від'ємного зворотного зв'язку ввімкнено послідовно перетворювач напруга-частота та перетворювач частота-напруга, то сума їх відносних похибок визначатиме похибку аналогового перемножувача:

.

Розроблений аналоговий перемножувач на ефекті оберненої функції має просту схемну реалізацію та забезпечує основну похибку (з врахуванням похибки перемножувача) не більшу 0,1% при вхідних сигналах 0 - 10 В.

З метою підвищення точності нами запропоновано [8] новий принцип побудови аналогових перемножувачів, а саме, на основі подвійної частотної модуляції. Сутність такого перемноження зводиться до того, що один аналоговий вхідний сигнал модулює частоту першого ПНЧ, а другий - другого ПНЧ, для якого вихідна частота першого ПНЧ є тактовою.

Під дією сигналу на першій вхідній шині на виході формувача коротких імпульсів появляються імпульси, частота (F_a) яких рівна частоті повторення імпульсів на виході першого перетворювача 1 напруга-частота:

, (8)

де I_а - вхідний струм інтегратора, що викликається сигналом на першій вхідній шині; I_г - струм генератора струму; V - коефіцієнт переліку лічильника імпульсів; T_т - період повторення тактових імпульсів на виході генератора.

Сигнал на другій вхідній шині перетворюється другим перетворювачем напруга-частота в частоту (F) повторення імпульсів

, (9)

де I - вхідний струм інтегратора, що викликається сигналом на другій вхідній шині; I_p - струм генератора струму; T_p - час розряду інтегратора, що рівний періоду повторення вихідних імпульсів першого 1 перетворювача напруга-частота, тобто

.

Таким чином, частота повторення імпульсів на вихідній шині запропонованого аналогового перемножувача прямо пропорційна добуткові сигналів на вхідних шинах:

, (10)

де К - коефіцієнт пропорційності, що, виходячи із (8), (9) рівний

.

Оскільки зміна полярності вхідного сигналу потрібна в багатьох випадках, найважливіші з яких - корекція похибок вимірювальних трактів різних приладів і забезпечення можливості перемноження знакозмінних сигналів одноквадрантними перемножувачами (останній випадок характерний для електронних АЦПЕ), то нами запропонована функціональна схема перемикача полярності.

Проведені нами дослідження дозволяють стверджувати, що на сучасній елементній базі найменшу похибку, до 0,0025% і навіть краще, забезпечують аналогові помножувачі з подвійною частотною модуляцією.

Фактично перемикач полярності є набором ключів і тому при розробці перемикачів необхідно приймати певні заходи для зменшення впливу ключів на коефіцієнти передачі. Встановлено, що коефіцієнт передачі від'ємної та додатної півхвилі вхідного сигналу рівний одиниці, тобто розроблений перемикач полярності не вносить спотворень при зміні полярності вхідного сигналу. Таким чином похибка перемикача полярності рівна нулю. Зауважимо, що похибка від напруги зміщення буферного каскаду компенсується в процесі корекції нуля і тому її можна вважати рівною нулю.

У четвертому розділі розглянуто варіанти схемної реалізації та застосування розроблених АЦПЕ.

Метрологічні характеристики розробленого АЦПЕ з АП на ефекті оберненої функції практично повністю визначаються властивостями вхідного блоку, аналогового перемножувача і перетворювача напруга-частота. Інші блоки, лічильник і регістр пам'яті нуля, блок керування і блок живлення, при правильній роботі лічильника на його точність не впливають. Враховуючи, що АЦПЕ повинен споживати незначну кількість електроенергії, використаємо в ньому інтегральні схеми із малим споживанням, а саме: аналогові операційні підсилювачі типу К140УД12 і цифрові - серії К561.

Із проведених теоретичних і експериментальних досліджень розроблених АЦПЕ з АП на ефекті оберненої функції витікає наступне:

1. Основна похибка перетворення не перевищувала 0,2% в діапазоні зміни напруги та струму відповідно 187-242 В і 0-5 А частотою 50 Гц.

2. Додаткова температурна похибка не перевищувала 0,15 % на кожні 10 градусів зміни температури в межах робочого діапазону температур від +15^оС до +35^оС.

Для АЦПЕ з подвійною частотною модуляцією метрологічні характеристики повністю визначаються властивостями ВБ, АП, шунтом і дільником напруги контрольованої електромережі.

Проведені теоретичні та експериментальні дослідження показали наступне: 1. Основна похибка перетворення не перевищувала 0,1% в діапазоні зміни напруги та струму відповідно 187-242 В і 0-5 А частотою 50 Гц. 2. Додаткова температурна похибка не перевищувала 0,1 % на кожні 10 градусів зміни температури в межах робочого діапазону температур від +15^оС до +35^оС.

Розбіжність між теоретичними і експериментальними даними не перевищувала 10%.

На закінчення зазначимо, що реалізація АЦПЕ із зменшеним часом перевірки практично повністю відповідає реалізації розглянутих вище АЦПЕ, лише ПНЧ, оскільки номінальне значення частоти вихідних імпульсів такого ПНЧ в 5 і більше разів вище при однаковій точності.



ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримано такі основні наукові та практичні результати.

На основі аналізу загальних принципів побудови АЦПЕ запропоновано нові структури АЦПЕ, які порівняно з відомими аналогами мають вищу (в 5 і більше разів) точність при простому схемному рішенні та забезпечують тривалий час роботи (понад 8 років) без додаткових корекцій похибок.

Розроблено метод зменшення часу перевірки АЦПЕ (до одиниць-десятків секунд) на основі зміни структури перетворювача введенням додаткового контрольного виходу та дільника частоти і підвищення вихідної частоти ПНЧ і АП.

Виведено аналітичні вирази для характеристик перетворення та оцінки похибок розроблених АЦПЕ, які дозволяють встановити властивості АЦПЕ на стадії їх проектування.

На основі структурної корекції похибок одержали подальший розвиток методи покращення метрологічних характеристик основних вузлів АЦПЕ, зокрема, аналогових перемножувачів і перетворювачів напруга-частота.

Запропоновано метод побудови аналогових перемножувачів на основі подвійної частотної модуляції, на основі якого розроблено нові аналогові перемножувачі, які порівняно з аналогами мають підвищену в 10 і більше разів точність.

Запропоновано метод побудови компенсаційних інтегруючих перетворювачів напруга-частота, який дозволяє в 5 і більше разів підвищити швидкодію порівняно з аналогами при однаковій точності.

На основі проведеного аналізу компенсаційних перетворювачів напруга-струм на операційних підсилювачах і транзисторах показано, що більшу точність і вихідний опір забезпечують перетворювачі з польовими транзисторами.

Результати виконаних досліджень впроваджено в Національному університеті “Львівська політехніка” у держбюджетних науково-дослідних роботах за планом Міністерства освіти і науки України №№ державної реєстрації 194U029636, 0196U000181, 0198U002350, 0100U000482, 0104U002297 і використовуються при проектуванні та експрес-аналізі приладів і автоматизованих систем обліку енергоносіїв на підприємстві “Енергозбереження -2002” (м. Львів), а також впроваджено у навчальний процес на кафедрі автоматики та телемеханіки.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Влах Г.І., Мичуда З.Р. Компенсаційний перетворювач напруга-струм// Вісник ДУЛП - Автоматика, вимірювання та керування. - Л.: ДУЛП, 1996, вип.305, с. 53-56.

Влах Г.І. Порівняльний аналіз компенсаційних генераторів струму// Вісник ДУЛП - Автоматика, вимірювання та керування. - Л.: ДУЛП, 1996, вип.305, с. 57-60.

Влах Г.І., Мичуда З.Р. Аналоговий перемножувач на ефекті оберненої функції// Міжвідомчий наук.-техн. зб. “Вимірювальна техніка і метрологія”. - Л.: Вища школа, 1996, вип.52, с. 101-103.

Влах Г.І. Перемикач полярності// Вісник ДУЛП - Автоматика, вимірювання та керування.- Л.: ДУЛП, 1997, вип.314, с. 126-131.

Влах Г.І. Лічильники електроенергії. Огляд// Вісник ДУЛП - Автоматика, вимірювання та керування.- Л.: ДУЛП, 1998, вип.348, с. 101-117.

Влах Г.І., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З. Аналоговий помножувач на основі частотної модуляції// Міжвідомчий збірник наукових праць “Відбір і обробка інформації”, 2004, вип.20 (96), с. 64-68.

Влах Г.І., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З. Аналого-цифровий перетворювач електроенергії// Науково-технічний журнал “Методи та прилади контролю якості”, Івано-Франківський національний технічний університет нафти і газу, 2005, вип. 13, с. 80-82.

Влах Г.І., Дудикевич В.Б., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З. Аналоговий помножувач: Патент 39126 Україна.- 2001, Бюл.№5.

Влах Г.І., Мичуда З.Р., Гордійчук Р.А. Підвищення швидкодії прецизійних перетворювачів напруга-частота// Сборник трудов международной НТК “Приборостроение - 2004”, Винница-Ялта, 2004, с. 72

Г.І.Влах, З.Р.Мичуда. Аналого-цифровий перетворювач електроенергії// Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах і конверсії виробництва: Збірник матеріалів 3-ї науково-технічної конференції.- Хмельницький, 1995.- с.86.

Г.І.Влах, З.Р.Мичуда. Аналого-цифровий перетворювач електроенергії для систем автоматичного управління// Праці 2-ї української конференції з автоматичного керування "Автоматика-95".- Львів, 1995, т.4, с.87-88.

Влах Г.І., Мичуда З.Р. Аналоговий перемножувач на ефекті оберненої функції// Міжнародна НТК “Контроль і управління в технічних системах”. Тези доповідей.- Вінниця, 1995, ч.2, с.

Г.І.Влах, З.Р.Мичуда. Покращення метрологічних характеристик електронних лічильників електроенергії// Наукові праці конференції "Комп'ютерні технології друкарства: алгоритми, сигнали, системи", ДРУКОТЕХН-96, Львів, 1996, с.113-114.

Влах Г.І. Сучасний стан лічильників електроенергії// Праці 3-ї Української конференції з автоматичного керування “Автоматика-96”.- Севастополь,1996, т.1, с. 191.

Влах Г.І., Мичуда З.Р. Моделювання процесів перемноження в аналого-цифрових перетворювачах електроенергії// Міжнародна конференція “Моделювання та дослідження стійкості систем”. Тези доповідей. - К.: ІВЦ Мінстату України, 1997, с. 24.

Влах Г.І., Мичуда З.Р., Мичуда Л.З. Блок аналого-цифрового перетворення для лічильників електроенергії підвищеної точності// Сборник трудов международной НТК “Наука и предпринимательство”, Винница-Ялта, 2005, с. 64-68.

Размещено на Allbest.ru

...