УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ МНОГОФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 1996 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к измерительным преобразователям электрических сигналов, характеризующих режим работы электрической системы: напряжения, тока, активной и реактивной мощности и др. и может быть использовано в устройствах измерения, контроля и регулирования электрических систем, в частности трехфазных.

Надежность работы электрической системы, а также качество электроэнергии в значительной степени зависят от решения проблемы комплексного и быстрого контроля режимных параметров. При этом основными проблемами являются: измерение активной и реактивной мощности, а также скорость получения результатов.

Известно устройство для измерения активной и реактивной мощности, содержащее входные преобразователи напряжения и тока, а также два гальваномагнитных преобразователя, первые входы которых соединены соответственно с выходами преобразователей напряжения и тока, вторые входы соединены с их первыми выходами, а вторые выходы соединены по схеме суммирования ЭДС Холла [1]
Известно устройство для измерения мощности, содержащее формирователь ортогональных составляющих, связанных с ним двух перемножителей и сумматор [2]
Эти решения предусматривают проведение операций с токами и напряжениями каждой фазы на рабочей (низкой) частоте, что снижает быстродействие устройств и, для многофазной системы, многократно увеличивает количество необходимого оборудования.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство для измерения режимных параметров трехфазной электрической системы [3] позволяющее получить квазинепрерывную информацию о значении обобщенного вектора напряжения (тока) трехфазной системы в течение всего периода входного сигнала и дающее возможность измерить коэффициент несимметрии многофазной системы в переходных режимах работы. Это устройство содержит включенные последовательно блок ключей дискретной выборки, фильтр и узел выборки-хранения, представляющий собой ячейку аналоговой памяти с аналоговым и управляющим входами, а также цепь последовательно соединенных компаратора и узла сдвига фаз на π/2, причем вход компаратора соединен с выходом фильтра, а выход узла сдвига фаз подключен к управляющему входу узла выборки-хранения. Блок ключей дискретной выборки представляет собой систему управляемых ключей, аналоговые входы которых соединены с входными клеммами измеряемых фазных напряжений (токов), управляющие входы подключены к соответствующим выходам генератора частоты дискретизации, а выходы ключей соединены по схеме суммирования. Такое решение, при относительно простой реализации, обеспечивает высокое быстродействие и точность измерения.

Однако в данном устройстве остается нерешенной задача измерения комплекса таких важных режимных параметров, как активной и реактивной мощностей, а также ряда других параметров (например, полной мощности, полного сопротивления и др.).

Техническая задача изобретения заключается в обеспечении возможности измерения комплекса режимных параметров, прежде всего таких как активная и реактивная мощности многофазной системы, при сохранении быстродействия и относительной простоте.

Для этого в устройство для измерения режимных параметров многофазной электрической системы, содержащее канал измерения напряжения (тока), выполненный в виде последовательно соединенных блока ключей дискретной выборки, фильтра и узла выборки-хранения, а также цепи из последовательно соединенных компаратора и узла сдвига фаз на π/2, причем вход компаратора соединен с выходом фильтра, выход узла сдвига фаз на π/2 подключен к управляющему входу узла выборки-хранения, а в блоке ключей дискретной выборки аналоговые входы соединены с входными клеммами измеряемых фазных напряжений (токов), управляющие входы подключены к генератору частоты дискретизации, а выходы ключей соединены по схеме суммирования, введен второй канал измерения тока (напряжения), N перемножителей, где N 1, 2, 3 равно количеству измеряемых видов мощности, причем второй канал измерения выполнен содержащим последовательно соединенные блок ключей дискретной выборки, фильтр и N узлов выборки-хранения, аналоговые входы которых соединены между собой, и цепи последовательно соединенных компаратора и узла сдвига фаз на π/2, причем вход компаратора соединен с выходом фильтра, выход узла сдвига фаз на π/2 подключен к управляющему входу первого узла выборки-хранения, управляющий вход второго узла выборки-хранения подключен к выходу компаратора первого канала измерения, управляющий вход третьего узла выборки-хранения подключен к выходу узла сдвига фаз на π/2 первого канала измерения, а в блоке ключей дискретной выборки второго канала измерения аналоговые входы управляемых ключей подключены к входным клеммам фазных токов (напряжения), их управляющие входы подключены к соответствующим выходам генератора частоты дискретизации, а выходы объединены через суммирующий усилитель, причем первые входы перемножителей подключены к выходу узла выборки-хранения первого канала измерения, вторые входы перемножителей подключены к выходам соответствующего узла выборки-хранения второго канала измерения, причем выходы узлов выборки-хранения и перемножателей являются выходами устройства.

Из уровня техники известно, что решение поставленной задачи предполагает наличие канала измерения второго параметра (тока) и перемножителей. Однако обобщенный параметр многофазной системы, который формируется в канале измерения напряжения (тока) устройства прототипа [3] имеет совершенно иное математическое описание, чем те фазные величины, которыми оперируют известные устройства измерения активной и реактивной мощности.

Для доказательства возможности получения сигнала, пропорционального активной (реактивной) мощности, при использовании обобщенного параметра многофазной системы, сформированного в [3] необходимо выполнить ряд математических преобразований, приведенных ниже, а также найти необходимые дополнительные узлы и связи помимо тех, что следуют из известного уровня техники.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения режимных параметров многофазной системы напряжения и тока, активной, реактивной и полной мощностей.

Устройство содержит канал измерения напряжения с входными фазными клеммами напряжений U₀, U₁, U_m и канал измерения тока с входными фазными клеммами токов I₀, I₁, I_m. Канал измерения напряжения (тока) выполнен в виде последовательно соединенных блока 1(2) ключей дискретной выборки, фильтра 3(4) нижних частот и узла 5(6) выборки-хранения, вход которого подсоединен к выходной клемме напряжения U (тока I). Каждый из каналов измерения включает также последовательно соединенные компаратор 7(8) и узел 9(10) сдвига фаз на π/2. Вход компаратора 7(8) подключен к выходу фильтра 3(4), а выход узла 9(10) сдвига фаз на π/2 соединен с управляющим входом узла 5(6) выборки-хранения. Блок 1(2) ключей дискретной выборки выполнен в виде управляемых ключей 11(12), аналоговые входы которых соединены с входными фазными клеммами напряжений U_a, U_b, U_m (токов I₀, I₁, I_m), и суммирующего усилителя 13(14), к входам которого подсоединены выходы ключей 11(12).

Управляющие входы ключей 11(12) соединены с генератором 15 частоты дискретизации, сигналы которого имеют форму меандров, сдвинутых относительно друг друга на угол 2π/m и следующих с частотой дискретизации, например ωd 10 кГц.

Компаратор 7(8) формирует короткий импульс при положительном переходе сигнала на его входе через нуль, а узел 9(10) сдвига фаз на π/2 задерживает этот импульс на время 1/4 периода частоты дискретизации.

Для рассматриваемого случая измерения, в качестве параметров режима многофазной системы, модулей напряжения U и тока I, активной Р, реактивной Q и полной W мощностей N 3, а общее число узлов выборки-хранения равно четырем. Кроме узла 5, 6 выборки-хранения устройство содержит узлы 16, 17 выборки-хранения и три перемножителя 18-20 активной, реактивной и полной мощности соответственно, выходы которых соединены с соответствующими выходными клеммами устройства. Выход компаратора 7 соединен с управляющим входом узла 17 выборки-хранения, аналоговые входы узла 16, 17 выборки-хранения соединены с выходом фильтра 4 канала измерения тока. Первые входы перемножителей 18-20 подключены к выходу узла 5 выборки-хранения канала измерения напряжения. Второй вход перемножителя 18 активной мощности соединен с выходом узла 16 выборки-хранения активной составляющей тока системы, второй вход перемножителя 19 реактивной мощности соединен с выходом узла 17 выборки-хранения реактивной составляющей тока, второй вход перемножителя 20 полной мощности соединен с выходом узла 6 выборки-хранения канала измерения полного тока.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 15 частоты дискретизации формирует m фазную систему сигналов D₀, D₁, D_m, имеющих форму меандров и сдвинутых друг относительно друга на угол 2π/m. Под воздействием положительной полуволны одного из этих сигналов соответствующий ключ 11(12) блока 1(2) ключей дискретной выборки замыкает входную клемму своей фазы напряжения (тока) с одним из суммирующих входов усилителя 13(14), при этом на выходе усилителя формируется ступенчатое напряжение, амплитуда первой гармоники которого соответствует амплитуде обобщенного напряжения (тока) многофазной системы. Выделение первой гармоники напряжения Ux и тока Ix осуществляется с помощью фильтров 3 и 4, на выходе которых синусоидальные сигналы имеют частоту, равную частоте дискретизации, а угол между векторами этих сигналов равен углу между векторами входных одноименных фазных напряжений и токов.

На выходе компаратора 7(8) формируется короткий импульс, временное положение которого соответствует моменту положительного перехода сигнала напряжения (тока) на выходе фильтра 3(4) через нулевой уровень. С помощью устройства 9(10) сдвига фаз на π/2 этот импульс задерживается на четверть периода частоты дискретизации и поступает на управляющие входы узлов 5 и 16(6) выборки-хранения. При этом в узле 5 на время периода частоты дискретизации запоминается значение амплитуды сигнала Ux обобщенного напряжения многофазной системы, поступающего с выхода фильтра 3 на его аналоговый вход. В узле 6 запоминается амплитуда обобщенного тока Ix, в узле 16 запоминается значение сигнала обобщенного тока, соответствующее амплитуде тока, умноженной на косинус угла между векторами тока и напряжения.

Узел 17, на управляющий вход которого поступает импульс с компаратора 7 канала напряжения, запоминает значение амплитуды тока, умноженное на синус угла между векторами тока и напряжения.

Поступающие с выходов узлов выборки-хранения сигналы формируют выходные сигналы устройства: на выходе перемножителя 18 пропорциональный активной мощности Р, на выходе 19 реактивной мощности Q, на выходе 20 полной мощности системы W. Кроме того, полученные в качестве промежуточных сигналов на выход многофазной системы (U), тока (I), активной Ia и реактивной Ip составляющих тока.

Учитывая, что сигналы на выходе узлов выборки-хранения обновляются в течение каждого периода частоты равной 10 кГц, быстродействие устройства определяется интервалом времени, равным 100 мкс.

Для обоснования работы устройства воспользуемся математическим аппаратом спектрального анализа.

Выражение для сигнала U_⊥0 U_⊥1 U_⊥m на выходе одного из ключей блока 11(12) получим путем перемножения синусоидального напряжения U₀(U₁.U_m) частоты на выражение для сигнала D₀(D₁.D_m) генератора 15 частоты дискретизации ωd, представленного рядом Фурье.

Рассмотрим симметричный режим работы системы, когда амплитуды фазных напряжений одинаковы и равны U, а амплитуды сигналов генератора дискретизации равны 1.

Us
t
После перемножения получим:

После суммирования U_⊥0, U_⊥1, U_⊥m, учитывая, что сумма составляющих частоты ωd + ω из-за сдвига фаз ее компонентов, равна нулю, а высшие гармоники будут эффективно подавлены фильтром, получим выражение для сигнала Ux на его выходе
U_x K U sinω_xt,
где ω_x= ωd-ω, K
Учитывая, что в симметричном режиме
получим выражение для Ix на выходе фильтра 4
I_x K I sin(ω_xt + Φ).

Учитывая работу компаратора 7(8) и 9(10) сдвига фаз на π/2 получим выражения
на выходе узла 5 выборки-хранения
U KU sin KU
на выходе узла 16
I_АК KI sin += KI cos Φ
на выходе узла 6
I= K I,
на выходе узла 17
I_PK K I sinΦ
Таким образом на выходе перемножителя 18 сигнал пропорциональной активной мощности P U I cosΦ на выходе 19 Q U I sin Φ, на выходе 20 W U I. Поскольку сигналы на выходах устройства обновляются с частотой ωd быстродействие устройства определяется временем, равным периоду этой частоты. С помощью более громоздких выкладок можно показать, что результаты верны и при несимметричных режимах работы системы.

Использование: в электротехнике в устройствах измерения и контроля трехфазных электрических систем. Сущность изобретения: устройство содержит блоки 1, 2 ключей дискретной выборки, фильтры 3, 4 нижних частот, узлы 5, 6 выборки-хранения, компараторы 7, 8, узлы 9, 10 сдвига фаз на π/2 управляемые ключи 11, 12, суммирующие усилители 13, 14, входные клеммы фазных напряжений и фазных токов, узлы 16, 17 выборки-хранения, перемножители 18 - 20 активной, реактивной и полной мощности соответственно, выходные клеммы модулей напряжения и тока активной, реактивной и полной мощностей с соответствующими связями. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ МНОГОФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, содержащее первый канал измерения электрического сигнала, выполненный в виде последовательно соединенных блока ключей дискретной выборки, фильтра, узла выборки-хранения и цепи последовательно соединенных компаратора и узла сдвига фаз на π/2, причем вход компаратора соединен с выходом фильтра, выход узла сдвига фаз на π/2 подключен к управляющему входу узла выборки-хранения, а в блоке ключей дискретной выборки, включающем в себя группу управляемых ключей и суммирующий усилитель, аналоговые входы управляемых ключей подсоединены к входным клеммам фаз электрического сигнала, их управляющие входы соединены с соответствующими выходами генератора частоты дискретизации, а выходы объединены через суммирующий усилитель, отличающееся тем, что в него введены второй канал измерения электрического сигнала, N перемножителей, где N = 1, 2, 3, равно количеству измеряемых видов мощности, причем второй канал измерения выполнен содержащим последовательно соединенные блок ключей дискретной выборки, фильтр и N узлов выборки-хранения, аналоговые входы которых соединены между собой, и цепи последовательно соединенных компаратора и узла сдвига фаз на π/2, причем вход компаратора соединен с выходом фильтра, выход узла сдвига фаз на π/2 подключен к управляющему входу первого узла выборки-хранения, управляющий вход второго узла выборки-хранения подключен к выходу компаратора первого канала измерения, управляющий вход третьего узла выборки-хранения подключен к выходу узла сдвига фаз на π/2 первого канала измерения, а в блоке ключей дискретной выборки второго канала измерения аналоговые входы управляемых ключей подключены к входным клеммам фаз электрического сигнала, их управляющие входы подключены к соответствующим выходам генератора частоты дискретизации, а выходы объединены через суммирующий усилитель, причем первые входы перемножителей подключены к выходу узла выборки-хранения первого канала измерения, вторые входы перемножителей подключены к выходам соответствующего узла выборки-хранения второго канала измерения, причем выходы узлов выборки-хранения и перемножителей являются выходами устройства.