Измерительный преобразователь переменного тока

Исходя из технических требований, предъявляемых к устройству, разрабатывается структурная схема устройства.

 

3 ОПИСАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

 

Рисунок3.1 – Структурная схема измерительного преобразователя переменного тока (1 – трансформатор, 2 – усилитель высокого уровня, 3 – усилитель среднего уровня, 4 – усилитель низкого уровня, 5 – блок преобразования, 6 – интегратор, 7 – источник тока)

 

Принцип действия схемы заключается  в следующем. Входной сигнал поступает через трансформатор (1), на шунтирующий резистор, на котором выделяется полезный сигнал пропорциональный входному. Этот сигнал, поступает на входы усилителей (2, 3, 4), каждый из которых имеет свой коэффициент усиления. Усиленные сигналы поступают на входы блока преобразования (5), который выполнен на микроконтроллере. Микроконтроллер производит аналого-цифровое преобразование и вырабатывает широтно-импульсный сигнал (ШИМ), скважность которого пропорциональна величине входного сигнала. ШИМ. Широтно-Импульсная Модуляция – это способ кодирования аналогового сигнала путём изменения ширины (длительности) прямоугольных импульсов несущей частоты. ШИМ поступает на вход интегратора (6), где происходит выявление постоянной составляющей. Постоянное напряжение с выхода интегратора поступает на вход источника тока (7), где происходит преобразование его в унифицированный токовый сигнал. 

4 РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

 

Вых

0 – 5 мА

 

Источник тока

 

 

 

 

Интегратор

Аналоговый  выход

 

Ключ

ШИМ

Микроконтроллер

± 15 В

Стабилизатор

19.4 В

+ 5 В

Усилитель 3

Усилитель 2

Усилитель 1

Блок  питания

Выпрямитель

1.25 В

2.5 В

0 – 5 мА

 

Трансформатор

тока

Опорный генератор

Трансформатор

 

0 – 5 А

50 Гц

220 В

Вх

 

 

Рисунок 4.1 –  Функциональная схема устройства

Схема измерительного преобразователя  переменного тока включает в себя блок питания, источник опорного напряжения, усилители, микропроцессор со встроенным АЦП, интегратор и источник тока управляемый напряжением.

Блок питания подключается к сети переменного тока с напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Со второй и третьей обмоток понижающего трансформатора снимается напряжение, которое подаётся на выпрямители переменного тока. После выпрямителя и сглаживания пульсаций напряжения электролитическими конденсаторами фильтров получаются постоянные напряжения, минимальные значения которых составляют + 19.4 В, необходимые для корректной работы стабилизаторов DA4 и DA5. Из полученного напряжения получаем стабилизированное напряжение + 15 В и -15 В, необходимое для питания аналогового выхода. Напряжение, необходимое для питания АЦП и входной цепи, получается подачей +15 В через гасящий резистор на стабилизатор DA3, дающий на выходе + 5 В.

Сигнал с входного трансформатора тока необходимо подать на входы микроконтроллера. Сигнал выделяется на шунтирующем резисторе R1 и поступает на усилители DA2:1, DA2:2, DA2:3, имеющие разные коэффициенты усиления. Усилители находятся в одном корпусе и собраны по не инвертирующей схеме включения операционных усилителей. Чтобы обеспечить защиту микросхемы от скачков напряжения, при резком изменении входного сигнала, используются защитные диоды VD7.

Для предотвращения наложения  спектров сигнал, подаваемый на вход АЦП, должен быть пропущен через фильтры нижних частот, состоящие из элементов R17, C13; R18, C14 и R19, C15, для подавления спектральных компонент, частота которых превышает половину частоты дискретизации.

Для правильной работы микроконтроллера необходимо опорное напряжение номиналом+ 2.5 В. Опорное напряжение создаётся при помощи стабилитрона DA1 и гасящего резистора R12. Это напряжение подаётся на резистивный делитель, где преобразуется в + 1.25 В. Для согласования источника опорного сигнала и микроконтроллера используется повторитель, выполненный на ОУ.

АЦП, входящий в состав микроконтроллера, измеряет мгновенные значения напряжений, и преобразует их в среднеквадратичные, по соответствующей программе. Затем, программными методами, проводится их цифровая обработка и организовывается обмен данными через соответствующий вывод. Выходной сигнал микроконтроллера представляет собой сигнал с широтно-импульсной модуляцией (далее ШИМ).

Блок аналогового выхода преобразует цифровую информацию от микроконтроллера (ШИМ) в токовый выходной сигнал от 0 до 5 мА, пропорциональный входному.

Для обеспечения корректной работы ключа, выполненного на микросхеме DA6, используется транзистор VT1, обеспечивающий необходимый уровень управляющего сигнала. С выхода ключа опорное напряжение подаётся на фильтр низкой частоты (ФНЧ), на котором происходит выделение постоянной составляющей в цифровом сигнале. Она поступает на повторитель, используемый как буферный усилитель, для исключения влияния низкоомной нагрузки - источник тока, на источник с высоким выходным сопротивлением, которым является НЧ фильтр.

Постоянное напряжение подаётся на преобразователь, выполненный на ОУ. Преобразователь так же выполняется на микросхеме, что накладывает ограничение на значение выходного тока, который не может быть большим, что приведёт к перегреву схемы. Для усиления выходного значения тока используется транзистор VT2.Усиленный постоянный ток подаётся на нагрузку.

 

5 РАСЧЁТ БЛОКОВ СХЕМЫ

5.1 Блок питания

 

Блок питания (БП) предназначен для питания всех узлов измерительного преобразователя. Необходимо обеспечить двухполярное питание ± 15 В для аналогового выхода и однополярное питание + 5 В для АЦП и входной цепи.

Для достижения поставленной цели используем понижающий сетевой  трансформатор с выпрямителями, включенными по мостовой схеме. Также  для стабилизации напряжения используем интегральные стабилизаторы в стандартном  включении.

5.1.1 Выбор и расчёт трансформатора

 

В качестве понижающего трансформатора для блока питания выбран тороидальный трансформатор. Преимущества этого  типа трансформаторов в том, что  замкнутая магнитная цепь тороидального сердечника уменьшает уровень помех и взаимную связь между трансформаторами. А это значительно упрощает экранирование. Индукция тороидального магнитопровода в 1.2-2 раза больше, чем у магнитопроводов с зазором. Это позволяет уменьшить размеры трансформаторов. В таком трансформаторе витки распределяются по всему тороиду, а не наслаиваются друг на друга, как в броневом трансформаторе. Поэтому в первом случае длина витка меньше, чем во втором, следовательно, меди расходуется меньше, КПД трансформатора повышается за счёт отсутствия ослабления магнитного поля в зазорах магнитопровода.

Особенно большими преимуществами обладают ленточные тороидальные магпитопроводы. Во-первых, они меньше по размеру. Во-вторых, процессы их изготовления можно механизировать. В-третьих, нет отходов производства (при изготовлении пластин для броневых трансформаторов отходы составляют 25—60% их веса).

При конструировании трансформаторов  с тороидальным сердечником приходится учитывать емкость между обмотками, остаточную индукцию магнитопровода, нагревание магнитопровода в мощных трансформаторах, и сжатие обмоток  обоймами для крепления.

Остаточная индукция в  тороидальном трансформаторе имеет  большее значение, чем в броневом, поскольку в тороидальном трансформаторе нет размагничивающего влияния  концов магнитопровода. В момент включения направления остаточного потока и потоков установившегося и переходного режима могут совпасть, в результате чего увеличивается ток включения. Однако это не имеет существенного значения в маломощных трансформаторах.

При существующем способе  крепления тороидального трансформатора возникают механические усилия, деформирующие  обмотку. Это не имеет значения, если трансформатор хорошо пропитан и  мало весит.

Для расчета трансформатора необходимы следующие исходные данные:

• эффективное напряжение питающей сети Uc = 220 В;
• частота питающей сети f = 50 Гц;
• эффективное значение напряжения на вторичных обмотках U₂ = 22 В;
• число фаз выпрямителя, если трансформатор нагружен выпрямителем, то для однополупериодного выпрямителя m = 1, для двухполупериодного m=2;
• эффективное значение токов вторичных обмоток I₂ = 100 мА;

Расчёт трансформатора производиться  по следующей схеме.

Полезная мощность, отдаваемая трансформатором, определяется, по формуле:

 

(5.1)

 

 

 

Эффективное значение ЭДС первичной обмотки трансформатора:

 

(5.2)

 

где— падение напряжения на обмотках в процентах от номинального значения.зависит от мощности P (таблица5.1).

 

Таблица 5.1 – Зависимость падения напряжения от мощности

 

P (Ва)	ΔU (%)
3 – 50	5
51 – 100	3
101 – 250	2.5
251 -500	2

 

 

Эффективное значение ЭДС вторичной обмотки:

 

(5.3)

 

где i =2, 3,…, n

 

 

 

Если одна из обмоток трансформатора работает на выпрямитель, то эффективное  значение тока для двухполупериодного выпрямителя с емкостной нагрузкой равно:

 

(5.4)

 

 

 

Полная мощность трансформатора:

 

(5.5)

 

 

 

Сечение сердечника при частоте сети 50 Гц рассчитывается по формуле:

 

(5.6)

 

 

где – полная мощность трансформатора;

c – коэффициент использования обмоток (2 – 2,5);

K – отношение веса стали к весу меди. Величина К выбирается из следующих соображений, чтобы трансформатор стоил дешевле, надо брать K = 4,5 – 5,5, а чтобы он весил меньше – K = 2 – 3;

B – величина индукции в сердечнике. Величину индукции В в сердечнике из стали толщиной 0,35 мм следует выбрать 16200 Гс.

j – плотность тока;

 – КПД трансформатора.

 

 

 

Внутренний диаметр магнитопровода рассчитывается по формуле:

 

(5.7)

 

где d – внутренний диаметр сердечника;

 – коэффициент заполнения окна медью (берется в пределах 0,2 - 0,25).

 

 

 

Наружный диаметр магнитопровода определяется формулой:

 

(5.8)

 

где h – высота сердечника (2.1 см);

 – коэффициент заполнения стали (0,35);

 

 

 

 

Число витков на один вольт для частоты 50 Гц

 

(5.9)

 

 

 

Число витков первичной обмотки

 

(5.10)

 

 

 

Число витков вторичной обмотки

 

(5.11)

 

 

 

Значение числа витков обмоток округляется до целого числа. Диаметр провода обмотки [2]:

 

(5.12)

 

 

 

 

 

В таблице 5.2 приведены результаты расчётов параметров трансформатора [5].

 

 

 

 

Таблица 5.2 –Результаты расчёта трансформатора

 

	Первичная обмотка	Вторичная обмотка
Диаметр магнитопровода	3,449	1,818
Число витков	5375	594
Диаметр провода	0,063	0,168

5.1.2 Расчёт выпрямителя

 

Для выпрямления пульсаций  входного напряжения используется двухполупериодный  выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме.

При расчёте необходимо выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке и потребляемый ею максимальный ток.

Переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора определяется по формуле:

 

(5.13)

 

где – постоянное максимальное напряжение на нагрузке;

B – коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по таблице 5.3.

 

Таблица 5.3 –Определение коэффициентов от токов нагрузки

 

Коэффициент	Токи нагрузки, А
	0.1	0.2	0.4	0.6	0.8	1
B	0.8	1.0	1.9	1.4	1.5	1.7
C	2.4	2.2	2.0	1.9	1.8	1.8