Устройство для измерения мощности многофазной сети Советский патент 1986 года по МПК G01R21/06 

1

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области измерения мощности многофазных сетей переменного тока, и может быть использовано при разработке пре цизионных измерителей мощности симметричных составляющих многофазной, в частном случае трехфазной, сети.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2- пример вьшолнения масштабно-суммирующих блоков.

Устройство содержит блок 1 синхро низации частоты генератора 2 опорных ортогональных гармонических сигналов , масштабно-суммирующие блоки 3 и А, блоки 5-12 умножения, блоки 13-16 усреднения с суммирующими вход -быми элементами, блоки 17-20 умножения, сумматоры 21 и 22, блок 23

дикации.

Входные шины фазных токов ..,ij и напряжений U,, и,...,, где m - количество фаз в многофазной сети, подключены к входам масштабно- суммирующих блоков 3 и 4, причем вход блока 1 синхронизации подключен к первой фазной системе напряжения, а его выход соединен с управляющим входом генератора 2. Выход блоков 3 и 4 попарно подключены к первым входам блоков 5 и 6,7 и 8,9 и 10,11 и 12 умножения. Вторые входы блоков 5,8,9 и 12 умножения соединены с первым выходом генератора 2, а второй выход генератора 2 со.единен с вторыми входами блоков 6,7,10 и 11 умножения. Выходы блоков 5 и 7,9 и 11 умножения подключены к неинверти- рутощим входам блоков 13 и 15 усреднения соответственно. Выходы блоков 6 и 10 умножения соединены с неинвертирующими входами 14 и 16 усредне ния, а выходы блоков 8 и 12 умножения подсоединены к инвертирующим входам блоков 14 и 16 усреднения соответственно. Выход блока 13 усредне- иия соединен с первыми входами блоков 17 и 19 умножения, выход блока 14 усреднения соединен с первыми входами блоков 18 и 20 умножения, выход блока 15 усреднения соединён с вторыми входами блоков 17 и 20 умножения, выход блока 16 усреднения соединен с; вторыми входами блоков 18 и 19 умно- жгния. Выходы блоков 17 и 18 умножения подключены к неинвертирукящму

1239617 2

входам сумматора 21, выход блока 19 умножения Соединен с неинвертирующим входом сумматора 22, а выход блока

20умножения - с инвертирующим вхо- , дом сумматора 22. Выходы сумматоров

21и 22 подключены к входам блока , 23 индикации (показан условно).

Выполнение блоков 13-16 усреднения в едином узле с суммирующими

0 элементами целесообразно при выполнении их в виде интеграторов или активных фильтров на базе операционньпс усилителей.

Введение блоков 19 и 20 умножения

15 и сумматора 22 не влияет на точность измерения, но позволяет одновременно с активной мощностью измерять также и реактивную. При отсутствии необхо- измерения реактивной мощности

20 эти узлы мо гут быть исключены из предлагаемого устройства.

Блоки 3 и 4 выполнены по одинаковой схеме (фиг. 2). Входы блоков 3 и 4 являются входами блоков 24-29

25 управляемых масштабных преобразователей, управляющие входы которых подсоединены к переключателю 6 , выходы блоков 24-26 управляемых масштабных преобразователей подключены к входам сумматора 30, а выходы управляемых преобразователей 27-29 подключены к входам сумматора 31. Выходы сумматоров 30 и 31 являются выходами масштабно-суммирующих блоков 3 и 4 соответственно.

В основу принципа работы предлагаемого устройства положены следующие соображения.

Пусть заданы т-фазные системы напряжений и токов, причем каждые напряжение и ток являются периодическими

30

35

40

И описьшаются зависимостью

(Л

UpCtbgUMFK5b(kco,t+{)p,)i

45

со

(О

50

55

FW-Ll,(И. + FкlJ kii

где ид,р.ц - амплитуда;

- начальная фаза К-ой гармоники напряжение фазы Г 1, 2, . .., т; ., амплитуда}

начальная фаза К-ой гармоники тока фазы F ; угловая частота первой гармоники.

Определим комплексные амлитуды S-ой последоват У1ьности К-ых гармоник напряжения и тока т-фаамой сети.

F

t Fb

Q, И описьшаются зависимостью

(Л

UpCtbgUMFK5b(kco,t+{)p,)i

со

(О

0

5

FW-Ll,(И. + FкlJ kii

где ид,р.ц - амплитуда;

- начальная фаза К-ой гармоники напряжение фазы Г 1, 2, . .., т; ., амплитуда}

начальная фаза К-ой гармоники тока фазы F ; угловая частота первой гармоники.

Определим комплексные амлитуды S-ой последоват У1ьности К-ых гармоник напряжения и тока т-фаамой сети.

F

t Fb

Q, 31239617

. Разложив (1) в тригонометрический ряд Фурье, получим косинуснйе и синусные ортогональные составляющие гармоник напряжения и тока в каждой

фазе F:

т

5 де

(t)-co5kQ,-tdi5

о

т

bp Y|llF(tV5ir kco,Ut-, о т ,

;Срк 41 Р ° О

, т

if --|-|ipCtV5;nkcO,ie)t,

де а - косинусная, а Ьр - синусная составляющие амплитуды К-ой гармоники напряжения Up(t);

С р - косинусная, а синусная составляющие амплитуды К-ой гармоники тока Ip(t);

21Г

период напряжения и тока.

Подставив выражения (1) в формуы (2) и выполнив интегрирование, олучим, - ,

арх и„ -5;1п(),

br, Ll«,-L-cosc,

PK MFk

-FK MFK

Ft:

PH

Ccv iMcir-SVnt

FK )

(3)

«1рк 1.,

m mm m

S(F-1), вынесем интеграл за знак суммы, а в подинтегральных выражениях вынесем за скобки общие множители 40 cos К со, t и sin К со, t и введем

следующие обозначения: MFK. FK + J° P, J

WFIc « PI( .

Симметричные составлякшще напряже- НИИ и токов S-ых последовательностей многофазной системы можно представить в виде

Значения комплексных амплитуд фазных напряжений и токов можно выразить следукицим образом:

С }

т

F

U s SZUptt)

(FM)

m

U

Fd

.

Q i- 5Jn4r-S(FH)

m

m

- ;i9(F-0. «sK -f l /MFit-a ,

1 .

,

F.t

-S(F-0

(Б)

r O

где S 0, 1, 2,..., (m-1) - номер симметричной.составлякицей напряжения и тока;

F 1, 2, 3,.,., m - номер фазных

напряжений и тока;

- gj «fm фазовьгй оператор

сдвига.

..5(Р-)

Представим а в виде суммы действительной и мнимой частей, тог

10

t5

да получим

,5((F.i.(F-l).C6l

Подставив выражения (4) и (6) в (5) и разделив действительную и мнимую части, получим косинусную и синусную составляющие напряжения и тока S-ой последовательности

m

K

2Го(с,

FK

(F-il m

Zb

m

ГК

(F-0 m )

,

PIT

cos -5(F-0 w rr,,

-I. 01 F4

rn

FK

5;n- j5{FM) m

5

m

--g; tY)

m cos -

j Y J

O v

C06;;J-5(F-0 m

-+21 J

5{F-0 m

-He

F«i

FK

, л

S n-5{F-l)

rn

ni 21Г

j

5inlL5(FM)

n

FK

m

()

30

Подставив в выражение (7) зависи- .ости (2), внесем, затем под знак интеграла постоянные коэффициенты

(3) 1 2f „,„ .. 1 . 35 -cos -- S(F-1) и sin

m mm m

следующие обозначения:

т

F

U s SZUptt)

(FM)

m

m

Fd

.UfCt Q i-5Jn4r-S(FH)

m

m

. ... (F-0 - /. t 1

pCtlf

s: iF(t)

FM

т

Д7 ч (F-0

liri

(8)

После этих преобразований выражения (7) можно представить в виде

I

oi,(u coskQ,t + U 9inku,t)dtt

о

т

bg,-j(u;cogkQ,t-UgSmkco,t)Jt-, .

0

т (v° t 95 ldt;

0

т

J,j(;;co5kco,t-i 5inkco,i)d{.

По аналогии с выражением (4) ком- плексные амплитуды напряжений и токов S-ой последовательности К-ых гармоник т-фазной сети равны

:, 1 «

5.

(10)

Полная мощность S-ой последовательности К-ой гармоники определяется из выражения

,l,Vp,,.JQ,,. (11)

Подставив в (11) формулы (10), получим

S KbsK SK- Cl5,Cg,)4j(,),2)

откуда

sK BK e ; 5K SK J

.

(13)

Вьфажения (8), (9) и (13) являются теоретической основной предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Фазные напряжения и токи подаются на входы масштабно-суммирующих блоков 3 и А, коэффициенты передачи ко- торых по входам, подключенным к ши- J m

F , равны -;-cos S(1)

m

1 2

- sin S(F-1), Эти коэффицибн- so

tn ш

ты изменяются в зависимости от номера исследуемой последовательности при помощи переключателя S. При помощи последнего происходит управление коэффициентами передачи управляемых мае- штабных блоков преобразователей 24-29 причем выходные напряжения управляе- Mijix масштабных блоков преобразователей

0

0

5

5

0

5

o

24-26 подаются на входы сумматора 30, а управляемых- масштабных блоков преобразователей 27-29 - на входы сумматора 31, Таким образом, на выходах сумматоров 30 и 31 формируются напряжения, пропорциональные соответственно величинам Ug , U , i , ig , которые определяются формулами (8).

Ге;нератор 2 формирует опорные ортогональные гармонические сигналы cos Kcot и sin К cot, частота которых К 60 синхронизируется с частотой сети со при помощи блока 1 синхронизации. После перемножения выходных сигналов блоков 3 и 4 с выходными сигналами генератора 2 в блоках 5-12 умножения они подаются на соответствующие входы блоков 13-16, на выходах которых формируются сигналы „ , J %к s Cg , dcti , описьгааемые

выражениями (9) .Выходные сигналы блоков 13-16 усреднения подаются на входы блоков 17-20 умножения, выходные величины которых суммируются в сумматорах 21 и 22 в соответствии с выражениями (13). Выходные сигналы сумматоров 21 и 22, пропорциональные активной и реактивной мощности симметричных составляющих измеряемой S-ой последовательности К-ых гармоник, подаются на входы блока 23 индикации. i

Повьш1ение точности и упрощение : достигаются тем,что для определения косинусных и синусных ортогональных .составляющих S-ой последовательности К-ых гармоник используется генератор, имекяций только два выходных сигнала, находящихся в квадратуре.Это позволяет повысить точность задания опорных сигнгшов генератора 2 до О,05%,что позволяет измерять мощность с точно- ,стью 0,1% (это примерно в пять разлуч ше чем у известного устройства),при этом сразу достигается упрощение устройства, так как отпадает необходимость в сложном многофазном генераторе, который для случая т-фазной сети должен иметь 2т выхода. При изменении номера измеряемой последовательности генератор 2 не надо перестраивать, что также способствует упрощению устройства. Введение блоков 3 и 4, которые строятся на базе прецизионных резисторов и операционных усилителей не приводит к усложнению устройства, так как эти блоки выполняются по широко известным в области аналоговой

вычислительной техники схемам,просты в наладке и обеспечивают высокую точность реализации функции преобразования в соответствии с выражениями (8)

Формул а изобретения

Устройство для измерения мощности многофа зной сети, содержащее десять блоков умножения, четыре блока усред- нения, сумматор, а также блок синхронизации, выход которого соединен с входом генератора опорных сигналов, первый выход которого подключен к пер вым входам первого и второго блоков умножения, а второй выход - к первым входам третьего и четвертого-блоков умножения, входы первого блока усред- нения соединены с выходами первого и пятого блоков умножения соответст- реяно, входы второго блока усреднения соединены с выходами второго и шестого блоков умножения соответственно, входы третьего блока усреднения соединены с выходами третьего и седьмого блоков умножения соответственно, входы четвертого блока усреднения соединены с выходами четвертого и восьмого блоков умножения соответственно, входы девятого блока

умножения подключены к выходам первого и третьего блоков усреднения соот5

ю 5

0

5

0

ветственно, входы десятого блока умножения подключены к выходам второго и четвертого блоков усреднения соответственно, входы сумматора соединены с выходами девятого и десятого блоков умножения, а выход сумматора является выходом устройства, о т- личающееся тем,что, с целью повышения точности измерения, в него введены два масштабно-суммирующих блока, причем первый выход генератора опорных сигналов подключены к первым входам седьмого и восьмого блоков умножения, а второй выход - к первым входам пятого и шестого блоков умножения, входы первого масштабно-суммирующего блока соединены с входными шинами фазных напряжений исследуемой сети, первый выход - с вторЕлми входами первого и шестого блоков умножения, второй выход - с вторыми входами второго и пятого блоков умножения, входы второго масштабно-суммирующего блока соединены с входными шинами фазных токов исследуемой сети, первьй выход - с вторыми входами четвертого и седьмого блоков згмноже- ния, второй выход - с вторыми входами третьего и восьмого блоков умножения а вход блока синхронизации подключен к одному из входов первого масштабно-суммирующего блока.

Фаг1

Редактор Л.Гратилло

Составитель С.Кабиков

Техред О.Сопко Корректор М.Демчи к

Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5.

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Изобретение может быть использовано при разработке прецизионных измерителей мощности симметричных сос- тавлякщих многофазной сети. Цель изобретения - повьшение точности из мерения. Устройство содержит блок 1 синхронизации частоты генератора 2 опорных ортогональных гармонических сигналов, масштабно-суммирукидие блоки 3 и 4, блоки 5-12 к 17-20 умножения, блоки 13-16 усреднения с суммирующими входными элементами,сумматоры 21 и 22 и блок 23 индикации.Наличие блоков 19 и 20 умножения и сумматора 22 не влияет на точность изме- .рения, но позволяет одновременно с активной мощностью измерять также и реактивную мощность. Достижению поставленной цели способствует введение в устройство двух масштабно-суммирующих блоков -и образование новых связей между элементами устройства. В описании даны примеры выполнения масштабно-суммируняцих блоков. 2 ил. (Л . 1C со ;о а J 2Z - г