НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Влах Галина Іванівна

УДК 681.335 (088.8)

ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ АНАЛОГО-ЦИФРОВИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ

05.13.05 – елементи та пристрої обчислювальної техніки

та систем керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Мичуда Зиновій Романович,

Національний університет “Львівська політехніка”, м.Львів,

професор кафедри “Автоматика та телемеханіка”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Грицьків Зенон Дмитрович,

Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів,

завідувач кафедри “Радіоелектронні пристрої та системи”

доктор технічних наук, професор

Сопрунюк Петро Маркіянович,

Фізико-механічний інститут ім.Г.В.Карпенка, м.Львів,

завідувач відділу “Електричні вимірювання фізичних величин”

Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут

інформаційної інфраструктури Державного комітету зв’язку

та інформації і Національної академії наук України,

відділ інформаційних технологій і систем, м. Львів

Захист відбудеться “31” березня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул.С.Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий “_28_” лютого 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, д.т.н., професор Луцик Я.Т.

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.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт за планом Міністерства освіти і науки України: "Перетворювачі інформації для систем комплексної автоматизації" (1994-1995 р., № держ. реєстр. 194U029636); "Швидкодіючі перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем" (1996-1997 р., № держ. реєстр. 0196U000181); "Високоточні перетворювачі інформації для вимірювальних приладів і систем" (1998-1999 р., № держ. реєстр. 0198U002350); "Методи аналізу, синтезу, математичного та фізичного моделювання перетворювачів інформації для вимірювальних приладів і систем" (2000-2001 р., № держ. реєстр. 0100U000482); "Теоретичні засади створення швидкодіючих проблемно-орієнтованих перетворювачів інформації" (2004-2005 р., № держ. реєстр. 0104U002297).

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 (№№ держ. реєстр. 194U029636, 0196U000181, 0198U002350, 0100U000482, 0104U002297) 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”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи автор отримав самостійно. У працях, опублікованих у співавторстві, автору належить:

- розробка нових структур АЦПЕ підвищеної точності [7,10,11,13,16];

- виведення математичних залежностей для характеристик перетворення основних вузлів АЦПЕ: компенсаційного перетворювача напруга-струм [1], компенсаційного генератора струму [2], прецизійного перетворювача напруга-частота [9], аналогових перемножувачів на ефекті оберненої функції [3] та з частотною модуляцією [6], перемикача полярності [4];

- розробка фізичних моделей і методик оцінювання точності АЦПЕ [7,11,16] та їх вузлів [1-4,6,9,14];

- визначення перспективних напрямків розвитку АЦПЕ [5,14].

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати виконаних у дисертації досліджень доповідалися і обговорювалися на 8 міжнародних науково-технічних конференціях, а також на науково-технічних семінарах кафедри автоматики та телемеханіки і конференціях Національного університету "Львівська політехніка".

Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 16 друкованих працях, у тому числі в 7 наукових статтях у фахових виданнях [1-7], 6 матеріалах [9,10,11,13,14,16] і 2 тезах [12,15] науково-технічних конференцій, 1 патенті [8] України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків, викладених на 135 сторінках, в тому числі рисунків на 9 сторінках, переліку цитованої літератури із 111 найменувань на 9 сторінках і додатків на 13 сторінках.

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 - електро-механічні та електронні АЦПЕ, існують також комбіновані, тобто електро-механічні з блоком електроніки. Встановлено, що електро-механічні 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 наведено на рис.1. 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 (Uап) рівний

Uап=KпрUшUд ,

де Kпр - коефіцієнт пропорційності; Uш - напруга на виході шунта вхідного блоку, що рівна добуткові струму мережі (I) на опір () шунта ; Uд - напруга на виході дільника напруги вхідного блоку, що рівна добуткові напруги мережі (U) на коефіцієнт ділення () дільника напруги ;

.

Тут Kпп-коефіцієнт передачі перемикача полярності вхідного блоку; Kап-коефіцієнт перетворення аналогового перемножувача.

Частота на виході перетворювача напруга-частота (Fх) рівна

Fх=KпнчUап,

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

З формули (1) видно, що функція перетворення розробленого АЦПЕ з дистанційним передаванням результату (рис.1) 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. Структурна схема АЦПЕ підвищеної точності наведена на рис.2. У цій схемі АПЧМ заміняє блоки АП і ПНЧ.

Вихідний сигнал АПЧМ (F) рівний

.

Тут Uвх1 і Uвх2 – відповідно сигнали на першому і другому входах АПЧМ,

Kапчм – коефіцієнт перетворення АПЧМ.

Сигнали на входах АПЧМ:

і ,

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

Вихідний сигнал АЦПЕ рис.2 пропорційний спожитій електроенергії:

. (2)

Як видно з формули (2), функція перетворення розробленого АЦПЕ підвищеної точності (рис.2) 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. Запропонована структурна схема АЦПЕ із зменшеним часом перевірки наведена на рис.3.

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 Кдч), вхід якого об'єднаний з виходом перетворювача напруга-частота і є контрольним виходом АЦПЕ, і збільшення коефіцієнту перетворення тракту вимірювання в Кдч разів (тобто збільшення частоти вихідних імпульсів ПНЧ в Кдч разів) дозволяє в Кдч 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; Кдч - коефіцієнт ділення дільника частоти ДЧ; Тв - час виміру.

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

, (4)

де Тк - час виміру контрольним АЦПЕ.

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

, (5)

то з виразів (3) – (5) отримаємо

. (6)

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

Зауважимо, що при введенні додатково дільника частоти ДЧ з коефіцієнтом ділення Кдч, коефіцієнт перетворення вимірювального тракту повинен бути збільшений в Кдч 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

(rзс100 МОм), а біполярного - опорові переходу база-колектор (Rк ~ 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 (Uвих) не повинен перевищувати значення Uвих=E-Uвх-Ucв, ( тут Е – напруга живлення, Ucв - 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 Qp ніж ПНЧ з дозуючим конденсатором Cq, оскільки похибки опорної напруги Uo і струму розряду Ip приблизно рівні, а похибка часу розряду Tp значно менша похибки Cq , оскільки Tp 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 наведена на рис.4, 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 tp - час розряду конденсатора інтегратора ПНЧ, що рівний періоду повторення імпульсів кварцового генератора; Кп – коефіцієнт перетворення ПНС; Ір – струм розряду; - ємність лічильника імпульсів Л.

Похибка перетворення ПНЧ:

. (7)

Похибка перетворення запропонованого ПНЧ не перевищуватиме 0,002%, якщо опорну напругу задавати прецизійним стабілітроном, а час розряду – кварцовим генератором.

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.

Структурна схема аналогового перемножувача на ефекті оберненої функції наведена на рис.5, де позначено: І1 - І3 - інтегратори; ДС – джерело струму розряду; Кл – ключ; К - компаратор; Ф – формувач часу розряду; КГ – кварцовий генератор високої частоти; ДЧ – дільник частоти; Т – D-тригер; ФРК – фазорозщеплюючий каскад; СН – стабілізатор напруги; С –суматор; П – підсилювач; Ub і Ua – перший і другий вхідні сигнали.

Напруга на виході ланки зворотного зв'язку

,

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

Коефіцієнт перетворення перетворювача частота-напруга

.

Коефіцієнт перетворення ланки зворотного зв'язку

,

де fкг-вихідна частота кварцового генератора; -коефіцієнт ділення дільника частоти; Rс-значення опору струмозадаючого резистора; Rі-значення опору інтегратора.

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.

Запропонований аналоговий перемножувач (рис.6.) містить перший перетворювач 1 напруга-частота з імпульсним зворотним зв’язком, виконаний на інтеграторі 2, компараторі 3, генераторі 4 струму, ключі 5, формувачі 6 часового інтервалу на генераторі 7 імпульсів, лічильнику 8 імпульсів і двох D-тригерах 9 і 10, першу вхідну шину 11 і другий перетворювач 12 напруга- частота з імпульсним зворотним зв’язком, виконаний на інтеграторі 13, компараторі 14, генераторі 15 струму, ключі 16, формувачі 17 часового інтервалу на лічильнику 18, двох D-тригерах 19 і 20, двох RS-тригерах 21 і 22, двох елементах „I” 23 і 24, другу вхідну шину 25, формувач коротких імпульсів 26, вихідну шину 27 і шину живлення 28.

Під дією сигналу на першій вхідній шині 11 на виході формувача коротких імпульсів 26 появляються імпульси, частота (Fa) яких рівна частоті повторення імпульсів на виході першого перетворювача 1 напруга-частота:

, (8)

де Iа - вхідний струм інтегратора 2, що викликається сигналом на першій вхідній шині 11; Iг - струм генератора 4 струму; V - коефіцієнт переліку лічильника 8 імпульсів; Tт - період повторення тактових імпульсів на виході генератора 7.

Сигнал на другій вхідній шині 25 перетворюється другим перетворювачем 12 напруга-частота в частоту (F) повторення імпульсів

, (9)

де I – вхідний струм інтегратора 13, що викликається сигналом на другій вхідній шині 25; Ip – струм генератора 15 струму; Tp – час розряду інтегратора 13, що рівний періоду повторення вихідних імпульсів першого 1 перетворювача напруга-частота, тобто

.

Таким чином, частота повторення імпульсів на вихідній шині 27 запропонованого аналогового перемножувача прямо пропорційна добуткові сигналів на вхідних шинах 11 і 25:

, (10)

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

.

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.

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. 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 (згідно з рис.1) 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 +15оС до +35оС.

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 +15оС до +35оС.

Розбіжність між теоретичними і експериментальними даними не перевищувала 10%.

На закінчення зазначимо, що реалізація АЦПЕ із зменшеним часом перевірки (структурна схема рис.3) практично повністю відповідає реалізації розглянутих вище АЦПЕ (рис.1), лише ПНЧ у цьому випадку доцільно виконати за схемою рис.2, оскільки номінальне значення частоти вихідних імпульсів такого ПНЧ в 5 і більше разів вище при однаковій точності.

Висновки по роботі

У дисертаційній роботі отримано такі основні наукові та практичні результати.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

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 конкурентно спроможних 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”.

Ключові слова: аналого-цифровий перетворювач, електроенергія, аналоговий перемножувач, аналіз, похибка.

АННОТАЦИЯ

Влах Г.І. Повышение точности аналого-цифровых преобразователей электроэнергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления. - Национальный университет “Львівська політехника”, Львов, 2006.

Диссертация посвящена разработке, исследованию принципов построения и созданию новых конкурентноспособных аналого-цифровых преобразователей электроэнергии (АЦПЭ), которые имеют повышенную точность и большой, более 8 лет, срок работы без поверок.

Проведён обзор и выполнена классификация АЦПЭ. Показано, что точность современных электронных АЦПЭ определяется в первую очередь использованным аналоговым умножителем. Наиболее распространёнными в данный момент являются АЦПЭ с широтно-амплитудной или частотной модуляцией, на эфекте переменной крутизны и с промежуточным преобразованием в цифровой код. Установлено, что срок безповерочной работы этих преобразователей не превышает, как правило, 8 лет. На основании проведённого анализа общих принципов построения АЦПЭ предложены и разработаны их новые структурные схемы, в частности: 1) с дистанционной передачей результата; 2) повышенной точности с дистанционной передачей результата; 3) с уменьшенным временем поверки. По сравнению с существующими аналогами предложеные структуры обладают более высокой точностью и упрощенным схемным решением. Достигнутая точность позволяет обеспечить срок безповерочной работы более 8 лет без дополнительной коррекции погрешностей, а сокращённое время поверки позволяет сделать более дешёвой и технологичной процедуру поверки АЦПЭ. Разработаны и исследованы основные узлы АЦПЭ, в частности, предложен метод построения аналоговых умножителей на основании двойной частотной модуляции, с использованием которого и выполнен умножитель повышенной точности для разработанного АЦПЭ; предложен метод построения компенсационного интегрирующего преобразователя напряжение-частота, который позволяет в пять и более раз повысить быстродействие при сохранении заданой точности. Предложены аналитические выражения для характеристик преобразования и оценки погрешностей АЦПЭ. Разработаны принципиальные схемы и макетные образцы для предложенных АЦПЭ. В частности, предложено выполнить первый тип на аналоговом умножителе на эффекте обратной функции. Второй и третий тип - на запатентованном нами аналоговом умножителе с двойной частотной модуляцией. На основании теоретических и практических исследований установлено, что разработанные АЦПЭ на эффекте обратной функции имеют класс точности 0,2, а АЦПЭ с двойной частотной модуляцией – 0,1 и выше. Предложенные АЦПЭ использованы при выполнении пяти госбюджетных тем и внедрены в процесс экспресс-анализа технического состояния приборов и автоматизированных систем учёта электроэнергии на предприятии “Енергозбереження-2002”.

Ключевые слова: аналого-цифровой преобразователь, электроэнергия, аналоговый умножитель, анализ, погрешность.

ABSTRACT

Vlakh G.І. The increase of the precision of electric power analog-digital converters. – Manuscript.

The dissertation aimed at the achievement of the scientific degree of a candidate of technical sciences on the speciality 05.13.05 – the elements and devices of the computing technics and the control systems. Lviv Polytechnic National University, L’viv, 2006.

The dissertation is dedicated to the development, the research of construction principles and the creation of new competitive analog-digital converters of electronic power (ADCEP), which are enriched with the improved precision and a large working term (more than 8 years) without any checking.

The classification of converters is performed. New ADCEP are developed and proposed, namely 1) with distant result transmission; 2) of the improved precision with distant result transmission; 3) with reduced checking time. The principle circuits and model patterns for the proposed ADCEP are designed. Particularly it is proposed to perform the first type on an analog multiplier based on the reverse function principle. The second and the third type – on the patented by us analog converter with double frequency modulation. The main knots of ADCEP are developed and investigated, particularly it is improved and increased the precision of such of them, as an analog multiplier and the voltage frequency converter. The analytical expressions aimed at characteristic converting and ADCEP error estimating are proposed. The proposed ADCEP were used within framework of 5 state budget themes and were implemented in the process of the technical stage express-analysis of the devices and the automated systems of electric power calculation at the “Enerhozberehennia-2002” (Energysaving-2002) enterpise.

The key words: analog-digital converter, electric power, analog multiplier, analysis, error.