СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ Российский патент 1995 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для оценки экономичности электропотребления промышленных объектов.

Известен способ измерения коэффициента мощности (1) заключающийся в том, что измеряют три мгновенных значения напряжения исследуемой цепи, взятые в моменты времени, равноотстоящие друг от друга, первое из которых взято в момент перехода сигнала тока в исследуемой цепи через ноль, а затем вычисляют коэффициент мощности.

Недостатками данного способа являются низкое быстродействие, обусловленное тем, что время измерения зависит от момента начала измерения и может в общем случае составлять около периода входного сигнала, и невысокая точность измерения, обусловленная погрешностью определения момента перехода сигнала тока через ноль.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения коэффициента мощности (2), заключающийся в том, что измеряют три мгновенных значения напряжения исследуемой цепи, взятые в моменты времени, равноотстоящие друг от друга, в те же моменты времени измеряют мгновенные значения тока в исследуемой цепи, причем первое измерение производят в произвольный момент времени, а коэффициент мощности определяют по формуле
+ (1) где U₁, U₂, U₃ мгновенные значение напряжения исследуемой цепи;
I₁, I₁, I₃ мгновенные значения тока в исследуемой цепи.

Недостатками данного способа являются низкое быстродействие и сложность. Низкое быстродействие обусловлено тем, что производят измерения трех мгновенных значений напряжения и тока, взятые через равноотстоящие друг от друга промежутки времени. В общем случае, если вторые мгновенные значения напряжения и (или) тока равны нулю, производят четыре измерения мгновенных значений. Кроме того, данный способ сложен, так как предусматривает анализ вторых мгновенных значений напряжения и тока на ноль и требует проведения большого числа измерительных и вычислительных операций.

Цель изобретения повышение быстродействия и упрощение способа.

Поставленная цель достигается тем, что в произвольный момент времени измеряют мгновенные значения напряжения и тока исследуемой цепи, в этот же момент времени измеряют мгновенные значения напряжения и тока со сдвигом по фазе относительно первых на угол π/2 в сторону опережения, а коэффициент мощности определяют по формуле
cosϕ (2) где U₁, U₂ мгновенные значения напряжений соответственно исследуемой цепи и сдвинутого по отношению к нему на угол π /2.

I₁, I₂ мгновенные значения токов соответственно в исследуемой цепи и сдвинутого по отношению к нему на угол .

На фиг. 1 представлены временные диаграммы, поясняющие предлагаемый способ; на фиг. 2 блок-схема устройства, реализующего данный способ.

Сущность способа состоит в определении коэффициента мощности по двум мгновенным значениям напряжения и тока, одновременно измеренным в произвольный момент времени, причем вторые мгновенные значения напряжения и тока сдвигают относительно первых на угол π/2 в сторону опережения согласно формуле (2).

Если сигналы напряжения и тока в исследуемой цепи содержат только первые гармоники, то U₁= U_m ˙ sin α ₁; U₂ U₂=U_m·sin + U_m ˙ sin α₁; I₁ I_m ˙ sin α ₂; I₂ I₂=I_m·sin + =I_m·cosα₂, где α₁, α₂ начальные фазы сигналов напряжения и тока.

Тогда выражение (2) принимает вид
(3)
Так как sin² α ₁ + cos² α ₁ 1; sin² α ₂ + + cos² α ₂ 1, a cos α ₁ cos α ₂ + sin α₁ sin α ₂ cos (α ₁ α ₂) cosϕ,где ϕ угол сдвига фаз между напряжением и током в исследуемой цепи, то
cosϕ
(4)
Таким образом выражение (2) соответствует коэффициенту мощности.

Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг.2) содержит фазосдвигающие блоки 1 и 2, аналого-цифровые преобразователи 3-6, мультиплексор 7, вычислительный блок 8 и блок управления 9, причем шина напряжения и u(t) исследуемой цепи соединена с входом аналого-цифрового преобразователя 4 и через фазосдвигающий блок 1 с входом аналого-цифрового преобразователя 3, шина тока i(t) в исследуемой цепи соединена с входом аналого-цифрового преобразователя 6 и через фазосдвигающий блок 2 с входом аналого-цифрового преобразователя 5, выходы разрядов аналого-цифровых преобразователей 3-6 соединены соответственно с первой, второй, третьей и четвертой группами входов мультиплексора 7, выходы которого соединены с информационными входами вычислительного блока 8, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока 9 управления, второй выход которого соединен с запускающими входами аналого-цифровых преобразователей 3-6, а третий и четвертый выходы блока 9 управления соединены с управляющими входами мультиплексора 7, вход блока 9 управления соединен с входом начальной установки вычислительного блока 8 и шиной "Пуск" устройства.

Устройство работает следующим образом.

Фазосдвигающие блоки 1 и 2 осуществляют сдвиг сигналов напряжения и тока на угол π/2. После подачи импульса на шину "Пуск" устройства вычислительный блок 8 переходит к началу выполнения программы, а на третьем и четвертом выходах блока 9 управления устанавливается код ОС, по которому мультиплексор 7 подключает выходы разрядов АЦП 3 к информационным входам вычислительного блока 8.

По команде с блока 9 управления в момент времени t₁ (фиг.1) запускаются аналого-цифровые преобразователи 3,4,5 и 6, на входах которых в это время величины напряжений и токов соответственно равны U₂, U₁, I₂ и I₁.

Блок 9 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 8. Код N_2U с выходов АЦП3; пропорциональный напряжению U₂, записывается в вычислительный блок 8.

После этого на третьем и четвертом выходах блока 9 управления устанавливается код 01, по которому мультиплексор 7 подключает выходы разрядов АЦП 4 к информационным входам вычислительного блока 8. Блок 9 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 8. Код N_1U с выходов АЦП4, пропорциональный напряжению U₁, записывается в вычислительный блок 8.

После этого на третьем и четвертом выходах блока 9 управления устанавливается код 10, по которому мультиплексор 7 подключает выходы pазpядов АЦП5 к информационным входам вычислительного блока 8. Блок 9 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 8. Код N_2I с выходов АЦП 5, пропорциональный току I₂, записывается в вычислительный блок 8.

После этого на третьем и четвертом выходах блока 9 управления устанавливается код 11, по которому мультиплексор 7 подключает выходы разрядов АЦП 6 к информационным входам вычислительного блока 8. Блок 9 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 8. Код N_1I с выходов АЦП 6, пропорциональный току I₁, записывается в вычислительный блок.

В вычислительном блоке 9 выполняются вычисления согласно выражению
N_вых
(5)
Выходной код N_вых пропорционален коэффициенту мощности.

В качестве аналого-цифровых преобразователей могут быть использованы АЦП параллельного типа с выходным регистром памяти.

В качестве вычислительного блока 9 может быть использована микро-ЭВМ или специальное, программно-управляемое, вычислительное устройство.

В известном способе время определения коэффициента мощности зависит от длительности шага дискретизации Δ t, который определяется, в основном, временем аналого-цифрового преобразователя, и времени выполнения вычислительных операций Т_выч.и. Минимальное время определения коэффициента мощности равно Т_иmin2 Δ t + T_выч.и. В общем случае, если вторые мгновенные значения напряжения и (или) тока равны нулю, производят четыре измерения мгновенных значений напряжения и тока. В этом случае время измерения равно Т_и.max 2 Δ t + T_выч.и. Время выполнения вычислительных операций в известном способе равно Т_выч.и 20 t_y + 9 t_c + 4t_в + 2t_д, где t_y время выполнения одной операции умножения (квадратирования); t_c время выполнения одной операции сложения (вычитания); t_в время выполнения одной операции вычисления квадратного корня; t_д время выполнения одной операции деления.

В предлагаемом способе время определения коэффициента мощности также зависит, в основном, от времени аналого-цифрового преобразования и времени выполнения вычислительных операций и равно T₃ Δ t + T_выч.3. Время выполнения вычислительных операций равно Т_выч.3 7t_y + 3t_c + t_в+ t_д.

Если считать, что t_y t_в t_д и пренебречь временем выполнения операций сложения (вычитания), то предлагаемый способ обеспечивает выигрыш в быстродействии выполнения вычислительных операций в k_в ≈ 2,87 раза. Предлагаемый способ обеспечивает выигрыш в быстродействии выполнения измерительных процедур примерно в 4 раза.

Предлагаемый способ проще известного, поскольку содержит меньшее число измерительных и вычислительных операций и исключает необходимость анализа мгновенных значений напряжения и тока на ноль, так как знаменатель выражения (2) никогда не может обратиться в ноль.

Использование: определение коэффициента мощности в электроизмерительной технике. Сущность изобретения: в произвольный момент времени измеряют мгновенные значения напряжения и тока и дополнительно их значения со сдвигом по фазе относительно первых на угол π/2 в сторону опережения, а коэффициент мощности определяют по формуле где U₁, U₂ - мгновенные значения напряжения соответственно исследуемой цепи и сдвинутого по отношению к нему на угол π/2 I₁, I₂ - мгновенные значения тока соответственно в исследуемой цепи и сдвинутого по отношению к нему на угол π/2 . 2 ил.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ, заключающийся в том, что в произвольный момент времени измеряют мгновенные значения напряжения и тока в исследуемой цепи и определяют коэффициент мощности, отличающийся тем, что, с целью его упрощения, в этот же момент времени измеряют мгновенные значения напряжения и тока со сдвигом по фазе относительно первых на угол π/2 в сторону опережения, а коэффициент мощности определяют по формуле

где U₁, U₂ мгновенные значения напряжения соответственно исследуемой цепи и сдвинутого по отношению к нему на угол π/2;
I₁, I₂ мгновенные значения тока соответственно в исследуемой цепи и сдвинутого по отношению к нему на угол π/2.