СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МГНОВЕННОГО КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК G01R21/00 

Предлагаемые способ и устройство относятся к электроизмерительной технике в электротехнике и электроэнергетике, в частности, могут быть использованы в системах централизованного контроля электроэнергетических систем и в системах компенсации реактивной мощности.

Из уровня техники известен способ определения коэффициента мощности в трехфазной трехпроводной цепи переменного тока, при осуществлении которого проводят измерение мгновенных значений токов двух фаз и мгновенные значения напряжений между этими фазами и третьей фазой. Перемножают эти значения и получают мгновенные мощности. Затем выделяют переменные составляющие этих произведений и интегрируют их с момента перехода междуфазных напряжений через ноль в течение заданного интервала времени (патент РФ 2263322, 27.10.2005).

Известен патент США 6828771 (07.12.2004), в котором раскрыто устройство, измеряющее величину коэффициента мощности сигнала во временной области при помощи расчета первой составляющей мгновенной мощности как произведения мгновенного значения напряжения сигнала и мгновенного значения тока сигнала электрической мощности сигнала, выполняя относительный сдвиг фазы между мгновенным значением напряжения сигнала и мгновенным значением тока сигнала. Расчет второй составляющей мгновенной мощности производится как произведение относительно сдвинутых по фазе мгновенных значений напряжения и мгновенных значений тока сигнала. Первая и вторая компоненты усредняются как среднеквадратичное усреднение для определения значения электрического параметра.

Также известен измерительный орган трехфазного напряжения синхронного генератора, где раскрыта схема, позволяющая вычислять модуль изображающего вектора напряжения трехфазной сети (патент США 4970458, 13.11.1990),

Наиболее близким по технической сущности к изобретения является патент США 5003252 (26.03.1991), в котором раскрыты устройство и способ для измерения коэффициента мощности и крутящего момента на выходе частотно-регулируемых приводов. Первоначально мощность определяют для каждой фазы трехфазной машины, используя датчики Холла для перемножения фазного тока, протекающего через каждую фазу, с током, пропорциональным фазному напряжению каждой фазы. Затем производят суммирование для получения мгновенной мощности, потребляемой трехфазной машиной. Компонента переменного тока отфильтровывается из суммированного сигнала при помощи многостадийного фильтра, который позволяет поддерживать быстрое время отклика с низким уровнем пульсации. Для измерения коэффициента мощности сигнал мгновенной фазной мощности, для каждой фазы, протекает через блокировочный конденсатор, эффективно отделяющий переменную составляющую с амплитудой, пропорциональной полной мощности.

Недостатком известных способов и устройств, его реализующих, в том числе и из наиболее близкого аналога, является физическая невозможность отслеживания мгновенного коэффициента мощности по причине наличия инерционных блоков, таких как фильтры, и определения мгновенной полной мощности s(t) только 6 раз за период. Тогда как заявленные способ и устройство позволяют определять мгновенный косинус угла между изображающими векторами тока I(t) и напряжения U(t) в 3D пространстве мгновенных фазных величин а, b, с.

В предлагаемом способе и устройстве отсутствуют инерционные блоки, что позволяет отслеживать непрерывно, безынерционно мгновенный коэффициент мощности даже на интервале периода электрической частоты, а не раз за период.

Задачей заявленного изобретения является создание более совершенного способа измерения коэффициента мощности трехфазной сети и устройства для его осуществления.

Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение точности и быстродействия измерения мгновенного коэффициента мощности, который характеризует эффективность мгновенного процесса необратимого преобразования электромагнитной энергии трехфазным потребителем за счет повышения быстродействия и непрерывности такого измерения.

Технический результат достигается за счет осуществления способа измерения мгновенного коэффициента мощности трехфазной сети, включающий преобразование входных сигналов мгновенных фазных токов и мгновенных фазных напряжений в сигналы мгновенной и полной мощности с последующим измерением их соотношения, равного мгновенному коэффициенту мощности, согласно заявленному изобретению, получение сигнала полной мощности осуществляют посредством преобразования входных сигналов мгновенных фазных токов и мгновенных фазных напряжений в мгновенные значения модуля тока и модуля напряжения трехфазной сети с последующим их перемножением.

Устройство для измерения мгновенного коэффициента мощности трехфазной сети, содержащее блок выделения мгновенной мощности трехфазной сети и соединенный с ним блок деления, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок выделения мгновенного модуля изображающего вектора тока, блок выделения мгновенного модуля изображающего вектора напряжения и блок перемножения, причем входы блока выделения мгновенной мощности трехфазной сети соединены со входами блока выделения модуля изображающего вектора тока, которые являются входами для сигналов, пропорциональных мгновенным фазным токам сети, и со входами блока выделения модуля изображающего вектора напряжения, которые являются входами для сигналов, пропорциональных мгновенным фазным напряжениям сети, а выходы блоков выделения модуля изображающего вектора тока и выделения модуля изображающего вектора напряжения соединены с входами блока перемножения, выход которого совместно с выходом блока выделения мгновенной мощности трехфазной сети подключены к входам блока деления.

Таким образом, технический результат заявленной группы изобретений достигается за счет того, что в заявленном устройстве исключены инерционные звенья, такие как фильтры низкой частоты, детекторы абсолютного значения, определяющие амплитудные значения не в каждый момент времени, и тому подобные.

Повышение точности и скорости измерения мгновенного коэффициента мощности достигается за счет заявленного способа и устройства, согласно которым мгновенный коэффициент мощности определяют соотношением сигналов мгновенной мощности р к мгновенной полной мощности s(t). В известных ранее способах и при помощи известных ранее устройств полную мощность трехфазной сети s определяли произведением действующих значений тока и напряжения.

Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых изображены блок-схемы.

Фиг. 1 - блок-схема устройства для мгновенного измерения коэффициента мощности трехфазной сети в общем виде;

Фиг. 2 - блок-схема устройства для мгновенного измерения коэффициента мощности трехфазной сети.

I - блок выделения мгновенной мощности трехфазной сети p(t);

II - блок выделения мгновенного значения модуля изображающего вектора тока I(t);

III - блок выделения мгновенного значения модуля изображающего вектора напряжения U(t);

IV - блок перемножения;

V - блок деления.

1 - перемножитель сигналов - 10 штук;

2 - сумматор сигналов - 3 шт.;

3 - извлечение корня квадратного;

4 - делитель.

В частном случае реализации изобретения способ осуществляют при использовании заявленного устройства.

Предложенный способ позволяет мгновенно отслеживать коэффициент мощности трехфазной сети λ(t) или мгновенную эффективность процесса преобразования электромагнитной энергии в трехфазной сети в каждый текущий момент времени.

В частном случае реализации устройство может быть использовано следующим образом.

На входы устройства поступают сигналы, пропорциональные мгновенным фазным токам i_a, i_b, i_c и мгновенным фазным напряжениям u_a, u_b, u_c. На вход блока выделения мгновенной мощности р поступают сигналы от мгновенных фазных токов i_a, i_b, i_c и от мгновенных фазных напряжений u_a, u_b, u_c. Сигнал на выходе этого блока I пропорционален мгновенной трехфазной мощности p(t), который определяется следующим образом:

р=u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c,

где u_a, u_b, u_c - мгновенные фазные напряжения;

i_a, i_b, i_c - мгновенные фазные токи.

Выход блока выделения мгновенной трехфазной мощности соединен с одним из входов делителя 4. Выход делителя 4 является выходом заявленного устройства. На вход блока выделения мгновенного модуля напряжения трехфазной сети поступают сигналы мгновенных фазных напряжений (u_a, u_b, u_с), которые возводятся в квадрат с помощью перемножителей сигналов 1, выходы которых соединены со входом сумматора 2. Выход сумматора 2 соединен со входом блока выделения квадратного корня 3. Блок выделения мгновенного модуля напряжения трехфазной сети реализует следующее выражение:

На вход блока выделения мгновенного значения модуля изображающего вектора тока I(t) трехфазной сети поступают сигналы мгновенных фазных токов (i_a, i_b, i_c).

Блок работает аналогично вышеописанному блоку выделения U(t), только выходной сигнал блока III пропорционален мгновенному значению модуля изображающего вектора тока I(t), реализуя следующее выражение:

Выходы блоков II и III соединены с входами перемножителя 1, реализующего следующее выражение:

s(t)=U(t)⋅I(t), где

s(t) - сигнал, пропорциональный мгновенной полной мощности трехфазной сети, который с выхода перемножителя 1 поступает на второй вход делителя, реализующего отношение сигнала, пропорционального мгновенной мощности p(t) трехфазной сети к сигналу, пропорциональному мгновенной полной мощности s(t) трехфазной сети, что определяет мгновенное значение коэффициента мощности λ(t):

где p(t) - мгновенная мощность трехфазной сети,

s(t) - мгновенная полная мощность трехфазной сети.

Для примера рассмотрим случай неискаженной симметричной нагрузки:

u_a=U_m⋅cosωt; i_a=I_m⋅cos(ωt+ϕ); u_b=U_m⋅cos(ωt-120°); i_b=I_m⋅cos(ωt-120°+ϕ); u_c=U_m⋅cos(ωt+120°); i_c=Im⋅cos(ωt+120°+ϕ).

Если подставить эти выражения в формулу определения коэффициента мощности, то, после проведения тригонометрических преобразований, можно получить следующее выражение:

λ(t)=cosϕ(t).

Реализация такого устройства может быть различна, в частности, при реализации используют предпочтительно аналоговые устройства, поскольку в таком случае входные величины преобразуются согласно заявленной блок-схеме устройства непрерывно, а не в какие-то определенные моменты времени, как, например, при использовании цифровых устройств.

Таким образом, заявленную группу изобретений можно применять в системах централизованного контроля электроэнергетических систем и в системах компенсации реактивной мощности для оперативного измерения коэффициента мощности и его последующей оперативной корректировки при отклонении от необходимых значений.

Предлагаемые способ и устройство относятся к электроизмерительной технике в электротехнике и электроэнергетике, в частности, могут быть использованы в системах централизованного контроля электроэнергетических систем и в системах компенсации реактивной мощности. Способ включает преобразование входных сигналов мгновенных фазных токов и мгновенных фазных напряжений в сигналы мгновенной и полной мощности с последующим измерением их соотношения, равного мгновенному коэффициенту мощности, отличающийся тем, что получение сигнала полной мощности осуществляют посредством преобразования входных сигналов мгновенных фазных токов и мгновенных фазных напряжений в мгновенные значения модуля тока и модуля напряжения трехфазной сети с последующим их перемножением. Устройство содержит блок выделения мгновенной мощности трехфазной сети и соединенный с ним блок деления, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок выделения мгновенного модуля изображающего вектора тока, блок выделения мгновенного модуля изображающего вектора напряжения и блок перемножения, причем входы блока выделения мгновенной мощности трехфазной сети соединены со входами блока выделения модуля изображающего вектора тока, которые являются входами для сигналов, пропорциональных мгновенным фазным токам сети, и со входами блока выделения модуля изображающего вектора напряжения, которые являются входами для сигналов, пропорциональных мгновенным фазным напряжениям сети, а выходы блоков выделения модуля изображающего вектора тока и выделения модуля изображающего вектора напряжения соединены с входами блока перемножения, выход которого совместно с выходом блока выделения мгновенной мощности трехфазной сети подключены к входам блока деления. Техническим результатом заявленной группы изобретений является повышение точности и быстродействия измерения мгновенного коэффициента мощности. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения мгновенного коэффициента мощности трехфазной сети, включающий преобразование входных сигналов мгновенных фазных токов и мгновенных фазных напряжений в сигналы мгновенной и полной мощности с последующим измерением их соотношения, равного мгновенному коэффициенту мощности, отличающийся тем, что получение сигнала полной мощности осуществляют посредством преобразования входных сигналов мгновенных фазных токов и мгновенных фазных напряжений в мгновенные значения модуля тока и модуля напряжения трехфазной сети с последующим их перемножением.

2. Устройство для измерения мгновенного коэффициента мощности трехфазной сети, содержащее блок выделения мгновенной мощности трехфазной сети и соединенный с ним блок деления, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок выделения мгновенного модуля изображающего вектора тока, блок выделения мгновенного модуля изображающего вектора напряжения и блок перемножения, причем входы блока выделения мгновенной мощности трехфазной сети соединены со входами блока выделения модуля изображающего вектора тока, которые являются входами для сигналов, пропорциональных мгновенным фазным токам сети, и со входами блока выделения модуля изображающего вектора напряжения, которые являются входами для сигналов, пропорциональных мгновенным фазным напряжениям сети, а выходы блоков выделения модуля изображающего вектора тока и выделения модуля изображающего вектора напряжения соединены с входами блока перемножения, выход которого совместно с выходом блока выделения мгновенной мощности трехфазной сети подключены к входам блока деления.