Широкодиапазонный четырехфазный генератор Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Тим 202 1973

ШИРОКОДИАПАЗОННЫЙ ЧЕТЫРЕХФАЗНЫЙ ГЕНЕРАТОР

В. И. СЕДОВ, М. С. РОЙТМАН, А. И. КРАМНЮК (Представлена научным семинаром кафедры радиотехники)

Рассмотренные в [1] методы создания двухфазных генераторов могут обеспечить дальнейшее повышение точности установки квадратуры двух напряжений в диапазоне частот только в случае применения высокостабильных и высокоточных элементов фазовращателя, а также* согласующих узлов с очень малыми фазовыми сдвигами. Этот пут>> треоует использования безреактивных высокоточных сопротивлений и конденсаторов с малыми углами потерь. Создание усилителей, фазоии-зерторов, трансформаторов с малыми фазовыми сдвигами в диапазоне частот наталкивается на существенные трудности. Кроме того, возникает необходимость в жесткой стабилизации рабочей частоты. Все перечисленное 'крайне усложняет получение квадратуры двух напряжений с 'погрешностью не более 0,5 ч- 0,1° в диапазоне частот 20 гц -:-чт 100 кги и приводит к резкому усложнению аппаратуры.

Эффективным способом- уменьшения 'погрешности установки квадратуры двух напряжений является применение встроенных систем автоматической поверки (ВСАП). В этом случае требования ко всем без исключения узлам многофазного генератора резко уменьшаются, что позволяет применять детали массового производства.

Блок-схема четырехфазного генератора с применением ВСАП приведена на рис. 1. Для получения квадратуры двух напряжений используется мостиковый фазовращатель, одним из элементов -которого является фотосопротивление.

ВСАП состоит из фазоиндикатора квадратуры суммо-разностного типа на фотопреобразователях [2] и УПТ. В случае отклонения фазового сдвига от 90° сумма и разность напряжений, находящихся в квадратуре, не будут равны между собой^ и баланс моста нарушится. Напряжение разбаланса после соответствующего усиления в УПТ изменяет подсвет лампочки Л3 фотопреобразователя ФП3, входящего в состав активного сопротивления фазовращателя, в результате чего фазовый сдвиг фазовращателя изменяется таким образом, чтобы отклонение фазового угла от 90° между выходными напряжениями генератора уменьшилось.

Определим суммарную погрешность установки квадратуры, для чего разомкнем систему автоматического регулирования в точках

т т/

I—Г и зададимся произвольным значением — на выходе генератора,

9

где ф —величина отклонения фазового -сдвига между выходными на пряжениями от 90°.

ЗГ УМ

Рис.

В этом случае на лампочки Jlx и Л2 будут действовать жения;

1\ = и„ VzVWtiny И иг = и„ V2 Vi-Sin ?

<с eos 9

di\ _

l\ ~ 2 (1+sin <?) a

dU

U.

^ • COS cp

¿/a?

2(1—sin <p) <p

Обходя систему по контуру, получим:

diM db\ ¿3 dU 2.

dR$i : - * . Лл1 Яф2 — я-,/''-; ¿л 2

rfí/п ¿y,

к

dR$\ R<t>\

dR,

ф2

"о 1 + а

diRZ __ ds dUQ >

к

di

i 3

глЗ ¿/?ФЗ

ЯфЗ

dR d* dR* з Я " rf7 '

напря-(i)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6) (7)

Совместное решение (1)— (8) позволяет получить коэффициент стабилизации фазового сдвига

/7 = — Ki\< ЛГ/з— * -к- cos у — • - , 9)

2 d2d6d7 U0 \+а '

где

= 1 + —; ¿2 = Л1 + тГ1-; ¿з=1 . D

л а

ЯфЗ

! I ^

d^ dG — постоянные коэффициенты, характеризующие режимы работы фотопреобразователей; d-t, ¿8 — постоянные коэффициенты, характеризующие степень включения фотосопротивления Яфз; Кл. К/2, К,-з — относительные коэффициенты передачи по току ФПЬ ФП2, ФПЛ соответственно; К — коэффициент усиления УПТ.

при

/?„1

= ¿з = d:> = 3 и d2 = dx = i/G = 4, а = 1

ь

¿т = 6, ¿/8 = К - 50, ^ = 1, Кп = К¿2 - К/3 - 5, 7 60

/гст = — - 5-5- 3 ^ 6 -50-1-0,5 = 75, 2 4-4.6.7

г. е. если погрешность квадратуры при разомкнутой системе порядка Г, погрешность при включенной ВСАП будет порядка 0,01°ч-0,02°.

Сказанное справедливо при условии, если фазоиндикатор системы ВСАП не вносит заметной погрешности. Анализ возможных реализации фазоиндикаторов [2, 3] 'показал, что наиболее высокая точность достижима в системах сравнения суммы и разности векторов входных напряжений по действующему значению. В этом случае основная составляющая погрешности фазоиндикатора, а именно погрешность за счет влияния 'высших гармонических составляющих оказывается пренебрежимо малой. Поэтому в случае использования фазоиндикаторов действующего значения погрешность установки квадратуры двух напряжений будет определяться погрешностями схем образования суммы и разности векторов напряжений и 'влиянием разброса входных сопротивлений индикатора.

Эквивалентная электрическая схема цепи, образующей сумму п разность напряжений, представлена на рис. 2. На этой схеме Ей Е2, Е?„ £4, п, г2, г3, — выходные напряжения и выходные сопротивления каждого выхода четырехфазного генератора; и — сопротивления лам-

3. Заказ 2835. 33

почек фотопреобразователей фазоиндикатора; /?3 и Я4— сопротивления их эквивалентов.

Погрешность индикации квадратуры двух напряжений, например, Е{ и Е2, будет равна

о . 8, . Ъ-К , ? 25 (2 -р т) ' 50(4 + от) 2500(2 + т)"Г

о, • К а, . о*

5000 (4 — т)

+

т

где й—разброс сопротивлений /?2,/?;ьв %;

разорос сопротивлений гь г2, г4, в

о/

А" — отклонение амплитуд напряжений одного канала (Еу и Ед) относительно амплитуд напряжений другого канала (Е2, ЕА), в%; а, — фазовая погрешность трансформатора первого канала (между Е) и £3), в радианах; 7о — фазовая погрешность трансформатора второго канала (между Е> и £*}), в радианах.

Я

т = —. г

Рассмотрим основные составляющие погрешности индикации квадратуры двух напряжений (при Я = 470 ом, г = 14,36 ом).

1. Погрешность за счет разброса входных сопротивлений фазоиндикатора

^ =---, где о — — . Ю0%.

25 (2 + т) И

Разброс элементов Яг, в данном случае связан с различи-

ем ста!ического и динамического сопротивлений лампочки накаливания.

Как известно [4], статическое сопротивление цепи из линейного сопротивления и лампочки при неизменной амплитуде тока определяется как

динамическое сопротивление

■^ДШ! ~ Ллоп

где // — показатель нелинейности вольтамперной характеристики лампочки накаливания.

Эквиваленты и ¿?( могут быть с достаточно большой степенью точности подобраны равными /?ст, поэтому

г = А . юо°о =/?ЛШ! к

я(

^ • 100?о = ^ • 100%.

Обычно ¿^З, п = 2. Поэтому

- ^ п ~

о ^-

й.

• 100% = 33%

25(2 + т) 25-34,7

0,04Рад^2,3°.

2. Погрешность за счет разброса выходных сопротивлений каждой фазы генератора.

Указанный разброс определяется неидентичностью половин вторичных обмоток трансформатора и не превышает 1%. Поэтому

= 5,4-10^ = 0,03°.

рад

50(4 + т) 5-36,7 3. Погрешность за счет амплитудной асимметрии каналов

К

=

100

(<Р* + <?г)

при наличии периодической калибровки амплитуд каналов может быть сведена к значению меньше 0,01°.

4. Погрешность за счет фазовой асимметрии половин вторичной обмотки выходных трансформаторов

т

Без большой ошибки можно считать, что

тогда

«1 = «2 = я»

6 — т 2(4 +т)

0,52а.

ф-■

Как показывают проведенные эксперименты, для широкополосных трансформаторов а может достигать нескольких градусов. Итак, основными составляющими погрешности индикации квадратуры двух напряжений в генераторе по схеме рис. 1 являются погрешности фазо-инверсии трансформаторных схем и погрешности из-за влияния разброса входных сопротивлений фазоиндикатора.

Фазовая погрешность трансформаторной фазоинверсной схемы определяется в основном паразитными параметрами, которые имеют очень большие значения, особенно у трансформаторов, предназначенных для работы 'В широком диапазоне частот. Эту погрешность можно значительно уменьшить, применяя корректирующие Л'С-цепи. Подобная корреляция имеет место при подобранных и С только на одной частоте.

В последнее время появились новые схемные решения, позволяющие резко уменьшить погрешность любых фазоийверсных схем, в основе работы которых лежит принций автокомпенсации погрешности 5. Работу последних можно пояснить блок-схемой рис. 3,а и векторной диаграммой рис. 3, о.

Выходные напряжения любой фазоинверсной схемы отличаются друг от друга как по модулю, так и -по фазе. Если между выходами

Рис. 3

з*.

35

схемы включить прецизионный делитель на 2, то значение напряжения £/0 между средней точкой делителя и зем;лей будет нести в себе информацию об асимметрии напряжений как по модулю, так и по фазе. Усилив .напряжение О0 в два раза и сложив его с любым из выходных напряжений (£/1), на выходе устройства мы получим теперь два равных противофазных напряжения и 112,

В случае идеальных делителя и усилителя погрешность такого фазоинверсного устройства будет равна нулю. Практически как коэффициент усиления усилителя, так и коэффициент деления делителя будут комплексными величинами. Нетрудно показать, что в этом случае погрешность такого фазоинверсного устройства будет равна по модулю

8Экв — + <?-<рЕ

и по фазе

Тэкв = — 8^,

где оэкв, 9экв.~ асимметрия по модулю и фазе напряжений фазоинверсного устройства; о^о — асимметрия по модулю и фазе напряжений фазо-инверсной схемы;

, Ку Кс

--'-'кГ'

Кд, К,, Кс — модули коэффициентов передач делителя, усилителя и сумматора; ~ гл ?у + суммарный фазовый сдвиг делителя, усилителя и сумматора.

Поскольку погрешности делителя и сумматора значительно меньше погрешностей усилителя, качеством последнего полностью определяется результатирующая погрешность устройства.

Как следует из приведенных формул, фазовая погрешность фазоинверсного устройства сильно зависит от асимметрии по модулю и при больших значениях последней может полностью определяться ею. Нм так как в устройствах подобного типа уменьшается как асимметрия по модулю, так и по фазе, фазовая асимметрия (погрешность) уменьшается значительно сильнее модульной.

На рис. 4 приведена зависимость фазового сдвига трансформатор 1 от частоты без компенсации и -с компенсацией фазовой погрешности.

Уменьшение второй составляющей погрешности установки квадратуры двух напряжений, а именно погрешности за счет разброса входных .сопротивлений фазоиндикатора может быть достигнуто увеличе-

Я о

нием отношения т =—, где /< — значение входного сопротивления

г

фазоиндикатора, а г — выходное сопротивление каждой фазы генератора.

Увеличение т возможно как в результате увеличения 7?, так и уменьшения г. Уменьшение выходного сопротивления каждой фазы генератора можно получить включением усилителей мощности посл^ выходного трансформатора, что резко увеличивает сложность генератора и позволяет уменьшить г примерно на порядок.

Стремление увеличить т за счет увеличения приводит нас к двум вариантам. Первый из них состоит во включении между выходами четырехфазного генератора и фазоиндикатором согласующих звеньев с высоким входным сопротивлением. Этот вариант также усложняет схему, причем к согласующим звеньям предъявляются очень высокие требования в части идентичности их по коэффициенту передачи и

входному сопротивлению. Данный вариант достаточно подробно рассмотрен в [3].

Другой путь увеличения т заключается в применении схем фазоиндикаторов, обладающих высокими входными сопротивлениями.

Рис. 4

ЛИТЕРАТУРА

1. F.. Д. К о л т и к. Измерительные двухфазные генераторы переменного тока. Изд. Комитета стандартов, мер и измерительных приборов при СМ СССР. М., 196S.

2. М. С. Р о и т м а и. О фазоиндикаторах, базирующихся на сравнении действующих величин напряжений. Автоматический контроль и методы электрических измерь-пни. Труды III конференции. Т. I, Новосибирск, 1961.

3. М. С. Ройтман, В. И. С е д о в, А. И. К р а м н юк, В. М. С е р г е е в. Изыскание путей и методов создания универсальной поверочной установки. Отчет по и/и теме. Томск, ТПИ, 1970.

4. М. С. Ройтман, Э. И. Ц и м б а л и с т, А. И. Лысо в. Фотоэлектрический преобразователь как управляемый элемент электрической цепи.— Известия вузов. Приборостроение. Том IX. № 6, Л., 1966.