СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА МЕЖДУ ТОКОМ И НАПРЯЖЕНИЕМ В ОДНОЙ ФАЗЕ У ПОТРЕБИТЕЛЯ Российский патент 2021 года по МПК G01R25/00 

Способ определения угла между током и напряжением в одной фазе потребителя относится к области электротехники и предназначен для вычисления коэффициента мощности с последующим определением реактивной составляющей тока с целью снижения потерь электроэнергии в питающей сети.

Известен способ определения угла сдвига фаз между двумя сигналами [1], который заключается в измерении мгновенных значений двух сигналов. Оцифровке их для одних и тех же моментов времени. Сохранении каждого цифрового отсчета как текущего, так и предыдущего. Определении разности и суммы каждой пары текущего и предыдущего значений. Перемножения разности и суммы. Суммировании произведения. Определении реактивной и активной квазимощности и по соотношению этих мощностей определять угол между двумя сигналами.

Недостатком этого способа является сложность построения схемы и трудность использования в условиях эксплуатации электрооборудования.

Известно измерение коффициента мощности косвенным способом [2]. В однофазной сети для этого снимают показания амперметра, вольтметра и ваттметра и коэффициент мощности cos ϕ вычисляют по формуле

где Р, U, I - показания ваттметра, вольтметра и амперметра.

Недостатком предложенного способа является необходимость использования ваттметра, что в практической деятельности электромонтера осуществить не всегда возможно.

Наиболее близким по технической сущности к предполагаемому способу является устройство [3], при котором параллельно активно-индуктивной нагрузке включается емкость, при этом вектор тока на емкости опережает вектор напряжения на 90°, а вектор тока на активно-индуктивной нагрузки отстает от вектора напряжения, этим самым компенсируется частично или полностью реактивная мощность потребителя и не загружает питающую сеть.

Недостатком способа является невозможность получения угла между векторами тока и напряжения и определения коэффициента мощности потребителя.

Целью способа является определение угла между током и напряжением потребителя посредством только токоизмерительных клещей.

Указанный в прототипе недостаток устраняется тем, что проводят декартовую систем координат, по вертикальной действительной оси которой откладывают в произвольном масштабе вектор напряжения, и производят измерение трех токов: тока нагрузки I_НАГР, тока через емкость I_ЕМК и общий ток, потребляемый из сети I_сети, по величинам векторов которых строят треугольник токов, для этого вектор тока через емкость откладывают по мнимой оси координат опережающим на 90° вектор напряжения , из начала осей декартовой системы координат, и это начало координат будет первой вершиной треугольника, а конец вектора тока емкости - второй вершиной треугольника, из которой проводят первую дугу радиусом, равным вектору измеренного тока, потребляемого нагрузкой а из начала координат про водят вторую дугу, радиусом равным вектору тока, потребляемого из сети и в точке пересечения дуг получают третью вершину треугольника токов, а через вторую вершину треугольника проводят вертикальную линию, угол между которой и вектором тока нагрузки является искомым углом нагрузки для нахождения которого используют теорему косинусов, по которой сначала вычисляют угол α между вектором тока нагрузки I_нагр, и вектором тока через емкость по формуле

а затем вычисляют угол между вектором тока нагрузки I_нагр и вертикальной линией, параллельной вектору напряжения, проходящей через вторую вершину треугольника токов

Подключение элементов схемы и места измерения токов представлены на фиг. 1. К фазному напряжению U между проводами 3 и 4 подключена активно-индуктивная нагрузка 1, содержащая активное сопротивление 1.1 и индуктивное сопротивление 1.2. Параллельно нагрузке 1 подключена емкость 2.1, коммутируемая выключателем 2.2. Измерение токов удобнее производить токоизмерительными клещами, применение амперметров потребует рассекать провода. Величина I₁=I_нагр показывает ток, потребляемый нагрузкой, I₂=I_emk показывает ток, протекающий через емкость 2.1. Общий ток, потребляемый нагрузкой 1 и емкостью 2.1. из питающей сети, равен I₃=I_сети.

На фиг. 2 представлены векторные диаграммы токов, протекающих в элементах схемы. По оси действительных чисел+1 откладываем в произвольном масштабе вектор подведенного напряжения Вектор тока через емкость 2.1. опережает вектор подведенного напряжения на 90° (вращение векторов против часовой стрелки), откладываем по оси мнимых чисел в определенном масштабе. На фиг. 2а величина тока через емкость меньше индуктивной составляющей тока нагрузки , режим недокомпенсации, а на фиг. 2б емкость I₂=Iemk больше индуктивной составляющей тока нагрузки - режим перекомпенсации.

Вектор тока активно-индуктивной нагрузки отстает от вектора напряжения на угол ϕ_наг, который нам следует определить. Но геометрическая сумма вектора через емкость и вектора тока нагрузки I_наг равна току, потребляемому из сети, так как по первому закону Кирхгофа сумма токов, сходящихся в узле равна нулю.

Начало координат будет первой вершиной треугольника токов 1, а конец вектора тока через емкость второй вершиной треугольника токов, из которой проводят первую дугу, равную длине вектора тока нагрузки Из начала координат проводят вторую дугу, равную длине вектора тока, потребляемого из сети Точка пересечения двух дуг будет третьей вершиной треугольника токов 3. Через вторую вершину треугольника 2 проводят параллельную действительной оси декартовой системы координат вертикальную линию, угол между которой и вектором тока нагрузки является искомым углом нагрузки ϕ_нагр. Для нахождения ϕ_нагр. определяют из треугольника токов с использованием теоремы косинусов cosα:

Величину угла находят через функцию .

Посколькуто искомый.

Пример определения угла между напряжение и током у потребителя

- Измеренные значения токов: ток нагрузки I_нагр=5 А; Ток через емкость I_емк=3,5 А; Общий ток, потребляемый из сети 4 А;

- Косинус угла между током нагрузки I_нагр и током через емкость I_Емк по теореме косинусов:

- находим значение угла .

Переводим радианы в градусы:

Находим угол между током нагрузки и напряжением .

Использованные источники

[1] Патент 2331078. Способ определения угла сдвига фаз между двумя сигналами, G01R 25/00, опубликован 10.08.2008.

[2] Панев Б.И. Электрические измерения: справочник (в вопросах и ответах). - М.: Агропромиздат, 1987. - 224 с. (С. 139).

[3] Прищеп Л.Г. Учебник сельского электрика. - М.: Агропромиздат, 1986. - 509 с. (С. 91, рис. 6.15).

Способ определения угла между током и напряжением в одной фазе у потребителя относится к области электротехники и предназначен для вычисления коэффициента мощности с последующим определением реактивной составляющей тока. Техническим результатом является определение угла между током и напряжением потребителя посредством только токоизмерительных клещей. Технический результат достигается тем, что для определения угла между напряжением и током на декартовых осях координат по оси действительных чисел располагают вектор напряжения, строят треугольник измеренных токов: вектор тока через емкость, расположенный от начала координат по мнимой оси, опережающий вектор напряжения на 90°, при этом из начала координат проводят первую дугу длиной вектора общего тока, потребляемого из сети, из конца вектора через емкость проводят вторую дугу длиной вектора нагрузки, на пересечении дуг получают третью вершину треугольника, из которого по теореме косинусов находят угол между вектором тока через емкость и вектором тока нагрузки, из прямого угла вычитают найденный по теореме косинусов угол и получают угол между током и напряжением. 2 ил.

Способ определения угла между током и напряжением в одной фазе у потребителя, по которому к линии электропередачи подключена активно-индуктивная нагрузка, зашунтированная емкостью, отличающийся тем, что проводят оси декартовой системы координат, по вертикальной действительной оси которой откладывают вектор напряжения U, и производят измерение трех токов: тока нагрузки I_нагр, тока через емкость I_emk и общий ток, потребляемый из сети I_СЕТИ, и по полученным векторам строят треугольник токов, причем ток через емкость I_emk откладывают по мнимой оси опережающим на 90° вектор напряжения U из начала осей системы координат, и это начало координат будет первой вершиной треугольника токов, а конец вектора тока через емкость I_emk - второй вершиной треугольника токов, из которой проводят первую дугу радиусом, равным вектору измеренного тока, потребляемого нагрузкой I_НАГР, а из начала координат проводят вторую дугу радиусом, равным вектору тока, потребляемого из сети I_сети, и в точке пересечения дуг получают третью вершину треугольника токов, а через вторую вершину треугольника проводят параллельную действительной оси декартовой системы координат вертикальную линию, угол между которой и вектором тока нагрузки I_нагр является искомым углом нагрузки , для нахождения которого используют теорему косинусов, по которой сначала из треугольника токов вычисляют угол α между вектором тока нагрузки I_нагр и вектором тока через емкость I_emk по формуле

а затем вычисляют угол между вектором тока нагрузки I_нагр и вертикальной линией, параллельной вектору напряжения, проходящей через вторую вершину треугольника токов: