ФИЛЬТР СИММЕТРИЧНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА Российский патент 2003 года по МПК G01R29/16 H02J3/26 

Изобретение относится к измерительной технике, а более точно - к устройствам, предназначенным дли выделения симметричных составляющих электрического сигнала, и может быть использовано в составе устройств измерения, защиты и сигнализации трехфазных систем переменного тока.

Известен измерительный преобразователь симметричных составляющих электрических величин (см. авт. свид. СССР 1432425 по кл. МПК⁷ G 01 R 29/16), содержащий первый фазоповоротный элемент и сумматор, выход которого является выходом измерительного преобразователя, второй и третий фазоповоротные элементы и четыре масштабирующих (или иначе - пропорциональных) блока, причем вход каждого фазоповоротного элемента подсоединен соответственно к клемме фазной входной электрической величины, выходы первого фазоповоротного элемента непосредственно, а второго и третьего через первый и второй масштабирующие (пропорциональные) блоки подключены к входам сумматора, входы второго и третьего фазоповоротных элементов объединены с входами соответственно третьего и четвертого масштабирующих (пропорциональных) блоков, выходы которых подключены к четвертому и пятому входам сумматора.

Данное устройство обладает высокой точностью работы при отклонении частоты контролируемого сигнала, однако его быстродействие ограничено наличием инерционных элементов. Кроме того, в устройстве прототипа первичный сигнал преобразуется не только по величине, как это имеет место и в предполагаемом устройстве, но и по фазе, что при работе в нестационарных режимах может привести к дополнительной погрешности измерения.

Известен фильтр напряжения обратной последовательности (см. патент РФ 2159939 по кл. МПК⁷ G 01 R 29/16), наиболее близкий к заявляемому техническому решению и принятый в качестве прототипа, в котором зажим фазы А подключен к первому входу сумматора, зажим фазы В связан через инвертирующий вход первого блока дифференцирования со вторым входом сумматора, а через инвертирующий вход первого пропорционального блока - с третьим входом сумматора, зажим фазы С связан через неинвертирующий вход второго блока дифференцирования с четвертым входом сумматора, а через инвертирующий вход второго пропорционального блока - с пятым входом сумматора, выход которого связан с входом третьего пропорционального блока таким образом, что выход третьего пропорционального блока является выходом устройства.

Данный фильтр, обладая высокими быстродействием и точностью измерения, способен выделить только электрический сигнал обратной последовательности, что ограничивает его применение в устройствах релейной защиты и автоматики.

Предлагаемое изобретение позволяет получить полный спектр симметричных составляющих электрического сигнала при высоких быстродействии и точности измерения сигнала в нестационарных режимах работы.

Для реализации указанного технического результата фильтр симметричных составляющих электрического сигнала, в котором зажим фазы А контролируемого сигнала подключен к первому входу первого сумматора, зажим фазы В связан через инвертирующий вход первого блока дифференцирования со вторым входом первого сумматора, а через инвертирующий вход первого пропорционального блока - с третьим входом первого сумматора, зажим фазы С связан через неинвертирующий вход второго блока дифференцирования с четвертым входом первого сумматора, а через инвертирующий вход второго пропорционального блока - с пятым входом первого сумматора, выход которого через неинвертирующий вход третьего пропорционального блока связан с первым выходом устройства, дополнительно содержит третий и четвертый блоки дифференцирования, второй и третий сумматоры и четвертый и пятый пропорциональные блоки, причем зажим фазы А дополнительно подключен к первому входу второго сумматора и к первому входу третьего сумматора, зажим фазы В дополнительно подключен ко второму входу второго сумматора, со вторым входом третьего сумматора соединен через неинвертирующий вход третьего блока дифференцирования, а с третьим входом третьего сумматора - через инвертирующий вход первого пропорционального блока, причем выход второго сумматора через неинвертирующий вход четвертого пропорционального блока связан со вторым выходом устройства, зажим фазы С дополнительно подключен к третьему входу второго сумматора, с четвертым входом третьего сумматора соединен через инвертирующий вход четвертого блока дифференцирования, а с пятым входом третьего сумматора - через инвертирующий вход второго пропорционального блока, причем выход третьего сумматора через неинвертирующий вход пятого пропорционального блока связан с третьим выходом устройства.

При работе устройства в нестационарном режиме на первом выходе формируется составляющая электрического сигнала обратной последовательности, на втором выходе - нулевой последовательности, на третьем выходе - прямой последовательности.

Все элементы предлагаемого устройства могут быть реализованы на безинерционных элементах, что гарантирует его высокое быстродействие при всех возможных режимах работы. Выделение полного спектра симметричных составляющих электрического сигнала без преобразования фазы первичного сигнала, в свою очередь, существенно повышает функциональные возможности фильтра при высокой точности работы.

На чертеже приведена структурная схема фильтра симметричных составляющих электрического сигнала.

Фильтр содержит первый 1 и второй 2 пропорциональные блоки, первый 3, третий 4, второй 5 и четвертый 6 блоки дифференцирования, первым сумматор 7, второй сумматор 8, третий сумматор 9, а также третий 10, четвертый 11 и пятый 12 пропорциональные блоки.

Зажим фазы А контролируемого сигнала подключен к первому входу первого сумматора 7, первому входу второго сумматора 8 и первому входу третьего сумматора 9.

Зажим фазы В подключен ко второму входу второго сумматора 8 непосредственно, со вторым входом первого сумматора 7 связан через инвертирующий вход первого блока дифференцирования 3, а со вторым входом третьего сумматора 9 соединен через неинвертирующий вход третьего блока дифференцирования 4. С третьим входом первого сумматора 7 и с третьим входом третьего сумматора 9 зажим фазы В связан через инвертирующий вход первого пропорционального блока 1.

Зажим фазы С подключен к третьему входу второго сумматора 8 непосредственно, с четвертым входом первого сумматора 7 связан через неинвертирующий вход второго блока дифференцирования 5, а с четвертым входом третьего сумматора 9 соединен через инвертирующий вход четвертого блока дифференцирования 6. С пятым входом первого сумматора 7 и с пятым входом третьего сумматора 9 зажим фазы С связан через инвертирующий вход второго пропорционального блока 2.

Выход сумматора 7 соединен с неинвертирующим входом третьего пропорционального блока 10, выход которого является первым выходом рассматриваемого устройства.

Выход сумматора 8 соединен с неинвертирующим входом четвертого пропорционального блока 11, выход которого является вторым выходом рассматриваемого устройства.

Выход сумматора 9 соединен с неинвертирующим входом пятого пропорционального блока 12, выход которого является третьим выходом рассматриваемого устройства
Блоки 1-6 и 10-12 могут быть реализованы при помощи операционных усилителей. Коэффициент усиления пропорциональных блоков 1, 2, 10-12 определяется отношением сопротивлений на входе усилителя и в цепи обратной связи. Блоки дифференцирования 3-6 на входе содержат конденсатор, а в цепи обратной связи - резистор.

Действие устройства основано на использовании метода симметричных составляющих. Пусть имеется система фаз А, В и С, с зажимов которой снимаются электрические сигналы соответственно, значения которых можно определить по выражениям

где U_а, U_b и U_с - амплитудные значения сигналов фаз А, В и С;
ω - угловая частота сигнала, ω = 2πf;
f - частота сигнала;
ϕ₁ - угол, на который сигнал опережает сигнал
ϕ₂ - угол, на который сигнал опережает сигнал
В соответствии с указанным методом выражение для составляющей прямой последовательности электрического сигнала фазы А имеет вид

где а - оператор трехфазной системы;
е=2,71828... .

Выражение для составляющей обратной последовательности электрического сигнала фазы А имеет вид

Выражение для составляющей нулевой последовательности электрического сигнала фазы А имеет вид

Умножим вектор фазы В на операторы трехфазной системы. Используя формулу тригонометрического разложения синуса двух углов, получим


Аналогичные вычисления выполним для фазы С:


Выразим в выражениях (5) - (8) вторые слагаемые через производные сигналов соответственно


Подставив формулы (9), (10) в выражения (5) - (8), получим




где К₁=0,5;
при частоте напряжения f=50 Гц ω=314,16 с^-1, К₂=2,76•10^-3 с.

Подставим выражения (11), (14) в выражение (2), а выражения (12), (13) - в выражение (3), в результате получим


где К₃=1/3.

Из выражений (15) и (16) следует, что для получения сигнала прямой либо обратной последовательности одной фазы (например, фазы А), необходимо подать на соответствующий сумматор сигнал этой фазы, инвертированные масштабированные сигналы двух остальных фаз (коэффициент масштабирования K₁=0,5), неинвертированный масштабированный сигнал производной сигнала фазы В и инвертированный масштабированный сигнал производной сигнала фазы С - для прямой последовательности, инвертированный масштабированный сигнал производной сигнала фазы В и неинвертированный масштабированный сигнал производной сигнала фазы С - для обратной последовательности (при частоте напряжения 50 Гц коэффициент масштабирования К₂=2,76•10^-3 с). Для получения сигнала нулевой последовательности достаточно сложить в соответствующем сумматоре сигналы всех трех фаз согласно выражению (4).

Чтобы окончательно выделить сигнал прямой, обратной либо нулевой последовательности, необходимо суммарный сигнал, сформированный на выходе соответствующего сумматора, умножить на коэффициент масштабирования К₃=1/3.

Устройство работает следующим образом.

Контролируемый сигнал снимается с зажимов фаз А, В и С. Сигнал u_а с зажима фазы А поступает непосредственно на первый вход первого сумматора 7, первый вход второго сумматора 8 и первый вход третьего сумматора 9. Сигнал u_b с зажима фазы В разветвляется на инвертирующий вход первого блока дифференцирования 3, на неинвертирующий вход третьего блока дифференцирования 4, на инвертирующий вход первого пропорционального блока 1 и на второй вход второго сумматора 8.

В первом блоке дифференцирования 3 сигнал u_b инвертируется, дифференцируется и умножается на масштабирующий коэффициент К₂. При этом на выходе блока 3 формируется сигнал -К₂u_b, который поступает на второй вход первого сумматора 7.

В третьем блоке дифференцирования 4 сигнал u_b дифференцируется и умножается на масштабирующий коэффициент К₂. При этом на выходе блока 4 формируется сигнал +К₂u_b, который поступает на второй вход третьего сумматора 9.

В пропорциональном блоке 1 сигнал фазы В u_b инвертируется и масштабируется. Результирующий сигнал -К₁u_b с выхода блока 1 поступает на третий вход первого сумматора 7 и третий вход третьего сумматора 9.

Сигнал u_c с зажима фазы С разветвляется на неинвертирующий вход второго блока дифференцирования 5, на инвертирующий вход четвертого блока дифференцирования 6, на инвертирующий вход второго пропорционального блока 2 и на третий вход второго сумматора 8.

Во втором блоке дифференцирования 3 сигнал u_c дифференцируется и умножается на масштабирующий коэффициент К₂. При этом на выходе блока 5 формируется сигнал +К₂u_c который поступает на четвертый вход первого сумматора 7.

В четвертом блоке дифференцирования 6 сигнал u_c инвертируется, дифференцируется и умножается на масштабирующий коэффициент К₂. При этом на выходе блока 6 формируется сигнал -К₂u_c, который поступает на четвертый вход третьего сумматора 9.

В пропорциональном блоке 2 сигнал фазы С u_c инвертируется и масштабируется. Результирующий сигнал -К₁u_c с выхода блока 2 поступает на пятый вход первого сумматора 7 и пятый вход третьего сумматора 9.

В результате суммирования входных сигналов на выходе первого сумматора 7 формируется сигнал, равный утроенному значению сигнала обратной последовательности фазы А, т.е. 3u_а2, который поступает на неинвертирующий вход третьего пропорционального блока 10, где умножается на коэффициент К₃. Таким образом, на выходе блока 10 формируется сигнал обратной последовательности u_а2.

В результате суммирования входных сигналов на выходе второго сумматора 8 формируется сигнал, равный утроенному значению сигнала нулевой последовательности фазы А, т. е. 3u_а0, который поступает на неинвертирующий вход четвертого пропорционального блока 11, где умножается на коэффициент К₃. Таким образом, на выходе блока 11 формируется сигнал нулевой последовательности u_а0.

В результате суммирования входных сигналов на выходе третьего сумматора 9 формируется сигнал, равный утроенному значению сигнала прямой последовательности фазы А, т.е. 3u_а1, который поступает на неинвертирующий вход пятого пропорционального блока 12, где умножается на коэффициент К₃. Таким образом, на выходе блока 12 формируется сигнал прямой последовательности u_а1.

Предлагаемое устройство за счет введения в него третьего и четвертого блоков дифференцирования, второго и третьего сумматоров, четвертого и пятого пропорциональных блоков, притом, что зажим фазы А дополнительно подключен к первому входу второго сумматора и к первому входу третьего сумматора, зажим фазы В дополнительно подключен ко второму входу второго сумматора, со вторым входом третьего сумматора соединен через неинвертирующий вход третьего блока дифференцирования, а с третьим входом третьего сумматора - через инвертирующий вход первого пропорционального блока, причем выход второго сумматора через неинвертирующий вход четвертого пропорционального блока связан со вторым выходом устройства, зажим фазы С дополнительно подключен к третьему входу второго сумматора, с четвертым входом третьего сумматора соединен через инвертирующий вход четвертого блока дифференцирования, а с пятым входом третьего сумматора - через инвертирующий вход второго пропорционального блока, причем выход третьего сумматора через неинвертирующий вход пятого пропорционального блока связан с третьим выходом устройства, при сохранении высоких быстродействия и точности измерения электрического сигнала в нестационарных режимах работы, позволяет одновременно с составляющей обратной последовательности получить составляющие прямой и обратной последовательности, что существенно расширяет функциональные возможности устройства.

Изобретение относится к измерительной технике, а более точно - к устройствам, предназначенным для выделения составляющих обратной последовательности напряжения, и может быть использовано в составе устройств измерения, защиты и сигнализации трехфазных систем переменного тока. Технический результат заключается в получении полного спектра симметричных составляющих электрического сигнала при высоких быстродействии и точности измерения сигнала в нестационарных режимах работы. В фильтре симметричных составляющих электрического сигнала зажим фазы А контролируемого сигнала подключен к первому входу первого сумматора, зажим фазы В связан через инвертирующий вход первого блока дифференцирования со вторым входом первого сумматора, а через инвертирующий вход первого пропорционального блока - с третьим входом первого сумматора. Зажим фазы С связан через неинвертирующий вход второго блока дифференцирования с четвертым входом первого сумматора, а через инвертирующий вход второго пропорционального блока - с пятым входом первого сумматора, выход которого через неинвертирующий вход третьего пропорционального блока связан с первым выходом устройства. Он содержит третий и четвертый блоки дифференцирования, второй и третий сумматоры и четвертый и пятый пропорциональные блоки. Зажим фазы А дополнительно подключен к первому входу второго сумматора и первому входу третьего сумматора. Зажим фазы В дополнительно подключен ко второму входу второго сумматора, со вторым входом третьего сумматора соединен через неинвертирующий вход третьего блока дифференцирования, а с третьим входом третьего сумматора - через инвертирующий вход первого пропорционального блока. Выход второго сумматора через неинвертирующий вход четвертого пропорционального блока связан со вторым выходом устройства, зажим фазы С дополнительно подключен к третьему входу второго сумматора, с четвертым входом третьего сумматора соединен через инвертирующий вход четвертого блока дифференцирования, а с пятым входом третьего сумматора - через инвертирующий вход второго пропорционального блока, причем выход третьего сумматора через неинвертирующий вход пятого пропорционального блока связан с третьим выходом устройства. При работе устройства в нестационарном режиме на первом выходе формируется составляющая электрического сигнала обратной нулевой последовательности, на втором выходе - нулевой последовательности, на третьем выходе - прямой нулевой последовательности. 1 ил.

Фильтр симметричных составляющих электрического сигнала, в котором зажим фазы А контролируемого сигнала подключен к первому входу первого сумматора, зажим фазы В связан через инвертирующий вход первого блока дифференцирования со вторым входом первого сумматора, а через инвертирующий вход первого пропорционального блока - с третьим входом первого сумматора, зажим фазы С связан через неинвертирующий вход второго блока дифференцирования с четвертым входом первого сумматора, а через инвертирующий вход второго пропорционального блока - с пятым входом первого сумматора, выход которого через неинвертирующий вход третьего пропорционального блока связан с первым выходом устройства, отличающийся тем, что в него дополнительно введены третий и четвертый блоки дифференцирования, второй и третий сумматоры и четвертый и пятый пропорциональные блоки, причем зажим фазы А дополнительно подключен к первому входу второго сумматора и к первому входу третьего сумматора, зажим фазы В дополнительно подключен ко второму входу второго сумматора, со вторым входом третьего сумматора соединен через неинвертирующий вход третьего блока дифференцирования, а с третьим входом третьего сумматора - через инвертирующий вход первого пропорционального блока, причем выход второго сумматора через неинвертирующий вход четвертого пропорционального блока связан со вторым выходом устройства, зажим фазы С дополнительно подключен к третьему входу второго сумматора, с четвертым входом третьего сумматора соединен через инвертирующий вход четвертого блока дифференцирования, а с пятым входом третьего сумматора - через инвертирующий вход второго пропорционального блока, причем выход третьего сумматора через неинвертирующий вход пятого пропорционального блока связан с третьим выходом устройства.