Функциональная схема электронного счетчика энергии

Электронный счетчик (рис. 2) состоит из трех функциональных узлов:

1) импульсного перемножающего устройства (ИЛУ);

2) импульсного интегратора (ИИ);

3) регистрирующего устройства (частотомера).

2.2.1. Импульсно-перемножающее устройство (ИПУ)

ИПУ включает в себя два основных узла: широтно-импульсный модулятор (ШИМ) и амплитудно-импульсный модулятор (АИМ). Основное назначение ИПУ: сформировать на выходе импульсное напряжение U_ВЫХ, среднее значение которого прямо пропорционально произведению двух входных сигналов U_y и U_x, то есть мгновенной мощности P:

где U_x и U_y - амплитуды напряжений, пропорциональные соответственно току и напряжению в нагрузке; k₁ и k₂ - масштабные коэффициенты для этих напряжений; k: - коэффициент пропорциональности; P - мгновенная мощность.

Формирование этого напряжения в ИПУ осуществляется по описанному ниже способу «ШИМ - АИМ» следующим образом.

Пусть на входы ИПУ ХS1 и ХS2 подаются напряжения любой формы, на­пример, U_x - постоянное напряжение +5 В, пропорциональное току I_н и U_y - также постоянное напряжение +5 В, пропорциональное напряжению U_н в на­грузке, то есть

где k₁ и k₂ - соответствующие коэффициенты пропорциональности.

Как видно из схемы, U_x подается на узел ШИМ, а U_y - на вход узла АИМ.

В соответствии с этим, напряжение U_x подвергается процессу широтно-импульсной модуляции, то есть формируются импульсы, скважность которых, то есть отношение периода к длительности (ширине) импульса, прямо пропорцио­нальна величине напряжения U_x. В свою очередь, сформированное узлом ШИМ импульсное напряжение модулируется по амплитуде второй контролируемой ве­личиной U_y в. амплитудно-импульсном модуляторе, в результате чего конечная

амплитуда этих импульсов на выходе ИПУ оказывается прямо пропорциональной величине U_y.

Рис. 2. Функциональная схема счетчика:

DА1 - интегратор; DА2 - триггер Шмитта; DА3 - компаратор; DА4 - инвертор; DD1, DD2 - электронные ключи; DА5.1 - повторитель; DА5.2 - инвертор; DА5.3 - инвертирующий интегратор; DА5.4 - инвертирующий триггер Шмитта; ФНЧ - фильтр нижних частот

Таким образом, на выходе ИПУ формируется величина произведения двух сигналов, пропорциональная мгновенной мощности.

2.3.Принцип перемножения с помощью ШИМ-АИМ

Узел ШИМ представляет собой (см. рис. 2) интегратор DА1 и формирова­тель DА2 на триггере Шмитта; в нем осуществляется формирование тактовых импульсов и широтно-импульсная модуляция напряжения U_x следующим обра­зом. Триггер Шмитта (ТШ) DА2 в совокупности с интегратором DА1 функцио­нирует как мультивибратор. Независимо от входного сигнала U_x на выходе интегратора (гнездо ХS3) создаются симметричные двухполярные треугольные им­пульсы напряжения (более подробное пояснение о формировании треугольных импульсов на основе интегратора и триггера Шмитта на ОУ приведены в [8]).

Благодаря компаратору DАЗ в зависимости от величины контролируемого сигнала U_x(t) изменяется скважность сформированных прямоугольных импуль­сов на выходе ХS5 компаратора. Так осуществляется ШИМ. Из диаграмм (рис. 3) видно, что при U_x < 0 длительность t₊ < t_{_} , а скважность

при U_x > 0 t₊ > t_{_}, а скважность Q > 2; при U_x = 0 на выходе XS5 компаратора DA3 симметричные прямоугольные импульсы со скважностью Q = 2, t₊ = t_{_.}

Полученный сигнал (гнездо ХS5) поступает на устройство АИМ. Ампли­тудно-импульсная модуляция этого сигнала вторым сигналом U_y (t) осуществля­ется с помощью электронного ключа DD1 и инвертирующего усилителя DА4 следующим образом: при замкнутом S2 и разомкнутом S1 контактах напряжение от источника сигнала U_y непосредственно поступает на выход электронного

ключа DD1 и на его выходном гнезде ХS6 устанавливается напряжение с амплитудой + U_y. В противоположном случае (S2 - разомкнут, S1 - замкнут) на выходе ключа окажется инвертированное напряжение с амплитудой - U_y. Таким обра­зом, на выходе электронного ключа DD1 имеют место разнополярные сигналы с одинаковой амплитудой ±U_y, скважность которых определяется ранее сформи­рованным сигналом ШИМ (гнездо ХS5'), так как ключ управляется этим сигна­лом.

Очевидно, что в общем случае среднее значение напряжения на выходе ключа DD1 будет прямо пропорционально мгновенной мощности, то есть

где U_y = k₂ (t_{_} - t₊₁) - задающий скважность моделирующий сигнал ШИМ от первого контролируемого источника; t₊ и t_{_} - продолжительности замкнутого состояния ключей S1 и S2 соответственно; k₁ и k₂ - масштабные коэффициенты для сигналов U_x и U_y, k - коэффициент пропорциональности; Р - мгновенная мощность.

Примечание: на рис. 3 длительность t₁ соответствует положительной по­лярности, а t₂ - отрицательной полярности импульсов, то есть t₁ = t₊; t₂ = t_{_}.

Полученное импульсное напряжение (гнездо ХS6 рис. 2) интегрируется на выходе перемножителя (гнездо ХS6') с помощью интегрирующей R-С цепи с по­стоянной времени τ = R·С ≥ 5 R·С1, большей постоянной времени цепи R-С ин­тегратора ШИМ (R - сопротивление на входе; С - емкость в цепи обратной связи интегратора на ОУ).

Диаграммы, поясняющие работу ИПУ при различных амплитудах U_x и U_y, представлены на рис. 4 и 5.

2.4. Импульсный интегратор (ИИ)

Импульсный интегратор служит для преобразования полученного в ИПУ аналогового сигнала U_cp = kP в пропорциональное число импульсов.

В состав ИИ входят повторитель DА5.1, инвертор DА5.2, электронный ключ DD2, инвертирующий интегратор DА5.3, неинвертирующий триггер Шмитта DА5.4.

Сигнал U_cp = kP, пропорциональный контролируемой мгновенной мощно­сти p(t), через повторитель DА5.1 поступает на вход 1 аналогового ключа DD2, на вход 2 которого поступает этот же сигнал с инвертора DА5.2, но противополож­ной фазы.

Аналоговый ключ DD2 управляется триггером Шмитта и в зависимости от полярности импульса на его выходе ключ подключает сигнал к входу интеграто­ра DА5.3 либо с повторителя, либо с инвертора. В соответствии с этим конденса­тор в цепи обратной связи интегратора либо заряжается, либо разряжается, за­ставляя в конце своего цикла триггер Шмитта переключаться либо в «положи­тельный», либо в «отрицательный» уровень, то есть на выходе ПНЧ формируют­ся импульсы с частотой следования (переключений), пропорциональной мгно­венной мощности p(t).

Временные диаграммы, поясняющие принцип действия импульсного инте­гратора ти (факчески преобразователя «напряжение - частота» - ПНЧ), иллюстри­руются на рис. 6.

Дата добавления: 2015-12-07