ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ Российский патент 1994 года по МПК G01R21/06 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения мощности трехфазных цепей.

Известен измерительный преобразователь мощности трехфазных цепей, содержащий две пары согласующих устройств тока и напряжения, два перемножителя и фильтры, выводы которых подключены к входам сумматора на сопротивлениях (1).

Недостатком этого преобразователя является низкая точность измерения из-за взаимного влияния выходных токов двух перемножителей и невысокое быстродействие из-за больших постоянных времени фильтров.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения мощности в трехфазной сети, содержащее две пары согласующих устройств тока и напряжения, два сумматора, источник опорного напряжения, два блока управления ключами, представляющие собой последовательно включенные преобразователь напряжение-частота и формирователь, два перемножителя, выполненных в виде мостовых схем управляемых ключей с конденсатором в одной из диагоналей, операционный усилитель, трехвходовой сумматор и сглаживающий фильтр (2). Данный преобразователь является прототипом заявляемому.

В прототипе, несмотря на исключение взаимного влияния выходных токов двух перемножителей и значительное снижение в выходном сигнале гармоники основной частоты тока, за счет суммирования прямого и инвертированного сигналов этой гармоники на трехвходовом сумматоре, полностью удалить основную гармонику тока невозможно из-за фазовых сдвигов в прямом и инвертирующем каналах. Недостатком устройства является также необходимость идентичности и стабильности конденсаторов в перемножителях.

Цель изобретения - повышение точности измерений, уменьшение пульсаций выходного сигнала и упрощение преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в измерительном преобразователе мощности трехфазных цепей, содержащем два согласующих устройства напряжения, выходы которых подключены к входам соответствующих сумматоров, источник опорного напряжения, выходы которого подключены к вторым входам сумматоров, два блока управления ключами, входы которых подключены к выходам соответствующих сумматоров, а выходы к управляющим входам перемножителей, два согласующих устройства тока, подключенных к входам перемножителей, операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к выходам перемножителей, и сглаживающий фильтр, блоки управления ключами выполнены в виде преобразователя уровня напряжения в разность длительностей управляющих воздействий, а перемножители выполнены на двух управляющих ключах с добавочными входами, соединенными с добавочными выходами согласующих устройств тока, причем выход операционного усилителя непосредственно подключен к входу сглаживающего фильтра.

Существенным отличием предлагаемого устройства является то, что в качестве блоков управления ключами используются преобразователи уровня напряжения в разность длительностей управляющих воздействий. Разность длительностей подключения ключей перемножителя пропорциональна входному напряжению и (в отличие от прототипа) не зависит от напряжения опорного источника. Поэтому прокоммутированный сигнал тока на выходе перемножителя не содержит синусоиду основной частоты и отпадает необходимость в трехвходовом сумматоре и выход операционного усилителя непосредственно подключается к сглаживающему фильтру.

Выполнение перемножителей на двух управляемых ключах с добавочным входом исключает применение конденсаторов, что повышает точность измерений.

Исключение из устройства сумматора, конденсаторов и уменьшение количества ключей с восьми до четырех упрощают предлагаемый преобразователь по сравнению с прототипом.

На фиг. 1 представлена функциональная схема преобразователя. Устройство содержит два согласующих устройства напряжения 1 и 2, два согласующих устройства тока 3 и 4, источник опорного напряжения 5, два сумматора 6 и 7, два блока управления ключами 8 и 9, два перемножителя 10 и 11, операционный усилитель 12 и сглаживающий фильтр 13.

Выходы согласующих устройств напряжения 1 и 2 подключены соответственно к входам сумматора 6 и 7, на вторые входы которых присоединены выходы источника опорного напряжения 5. Выходы сумматоров 6 и 7 подключены соответственно к входам блоков управления ключами 8 и 9, выход каждого из которых подключен к управляющим входам перемножителей 10 и 11, включенных между выходами согласующих устройств тока 2 и 4 и суммирующим входом операционного усилителя 12. Выход усилителя 12 подключен к входу сглаживающего фильтра 13, выход которого является выходом преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом. Входные напряжения трехфазной цепи U_АВ и U_СВ преобразуются согласующими устройствами 1 и 2 в напряжения U₁ = K ^. U_АВ и U₂ = K ^. U_СВ (К - постоянный коэффициент), которые суммируются с напряжением U_оп в сумматорах 6 и 7. Напряжения U₃= KU_АВ + U_оп и U₄ = KU_CB + U_оп с выходов сумматоров подаются соответственно на входы блоков управления ключами 8 и 9, представляющих собой преобразователи уровня напряжения в разность длительностей управляющих воздействий. Эти преобразователи являются частью известной схемы дельтасигма модулятора, представленной на фиг. 2. Работу схемы фиг. 2 рассмотрим на примере канала U_АВ. Напряжение U_оп отрицательно и по абсолютной величине равно максимально возможной величине напряжения U₁. Ток (К^.U_АВ + U_оп)/R поступает на суммирующий вход интегратора DА1 и интегрируется емкостью С. По мере заряда компаратор DА2, соединенный с D-входом триггера Т срабатывает и момент прихода импульса от генератора тактовых импульсов (ГТИ), выход триггера Q устанавливается в состояние "1". Этот выход управляет ключом, подключающим источник калиброванного тока I = -20_оп/R к суммирующему входу интегратора DА1. При подключении тока I происходит разряд емкости С до изменения состояния компаратора и прихода очередного импульса от ГТИ. После этого ток I отключается от суммирующего входа интегратора и вновь происходит заряд емкости С током l.

Таким образом, на суммирующем входе интегратора DА1 поддерживается нулевое среднее значение тока на интервале такта заряд-разряд. В математической форме это определяется следующим соотношением
dt + ₊ (1) где t₁ - момент подключения тока I к интегратору;
t₂ - момент отключения этого тока.

Частота ГТИ выбирается намного выше частоты измеряемой цепи и на интервалах заряда τ_з = t₁ и разряда τ_р = t₂ - t₁, входное напряжение можно считать неизменным, тогда соотношение (1) можно заменить выражением
τ_з+ - =0, откуда следует, что разность длительностей заряда и разряда емкости С пропорциональна входному напряжению
= - , (2) где Т = τ_p+τ_з.

На интервале τ_з к входу операционного усилителя 12 подключен ток i₁, пропорциональный входному току i_А
i₁ = K₁i_А.

На интервале τ_р подключен ток (-i₁). Среднее значение напряжения на выходе усилителя 12 определяется формулой
U_ср = = - U_АВ·i_A.

Аналогичным образом работает канал U_CB. Токи i₂ и (-i₂) подключаются к суммирующей точке усилителя 12 и усредненное на малом интервале (по отношению к периоду сети) напряжение на выходе усилителя 12 пропорционально мгновенному значению трехфазной мощности
P = -(U_АВi_А + U_CB i_C).

После сглаживания пульсаций фильтром 13 на выходе преобразователя имеет место сигнал, пропорциональный суммарной активной мощности трехфазной цепи.

Предложенный преобразователь может быть использован для повышения точности измерения мощности при осциллографировании аварийных режимов, в устройствах автоматического регулирования и в других быстропротекающих процессах трехфазных систем.

Использование: для измерения мощности трехфазных цепей. Сущность: преобразователь содержит два согласующих устройства напряжения 1,2, два согласующих устройства тока 3,4, два сумматора 6,7, источник опорного напряжения 5, два блока управления ключами 8,9, два перемножителя 10,11, операционный усилитель 12, сглаживающий фильтр 13. 2 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ, содержащий два согласующих устройства напряжения, выходы которых подключены к входам соответствующих сумматоров, на вторые входы которых подключены выходы источника опорного напряжения, два блока управления ключами, входы которых подключены к выходам соответствующих сумматоров, а выходы - к управляющим входам перемножителей, два согласующих устройства тока, подключенных к входам перемножителей, операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к выходам перемножителей, и сглаживающий фильтр, выход которого является выходом преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения пульсаций выходного сигнала и упрощения, блоки управления ключами выполнены в виде преобразователей уровня напряжения в разность длительностей управляющих воздействий, а перемножители выполнены на двух управляемых ключах с добавочными входами, соединенными с добавочными выходами согласующих устройств тока, причем выход операционного усилителя непосредственно подключен к входу сглаживающего фильтра.