Устройство для измерения параметров трехфазной сети Советский патент 1987 года по МПК G01R29/16 

сумматоры 4, 5, 6, масштабно-суммирующий блок 9, переключатель 10, цифроаналоговый преобразователь 12 трехфазный источник 18 опорных напряжений, блок 21 синхронизации, пульт 22 управления, постоянный за поминающий блок 23, вычислительный блок 24, регистр 26, блок 27 индикации. В состав управляемого фазовращателя 20 входят фазовращатель на 90 , цифроаналоговый преобразо- ватель 37 и сумматор 38. В состав источников 18, 19 опорных напряже1307396

НИИ нходят цифроаналогоБые преобразователи 28-35. Блок 21 синхронизации содержит умножитель 39 частоты, счетчик 40, шинный формирователь 41 и элемент 42 задержки. Вычислительный блок 24 содержит микропроцессор 43, запоминающий блок 44, блок 45 местного управления, запоминающий блок 46 микрокоманд, генератор 47 36 импульсов, триггер 48, элемент И 49. Также в состав устройства входят шина 50 данных, шина 51 констант, шина 52 адреса и шина 53управления.2ил.

- 1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения действующих значений и начальных углов сдвига фаз фазных (линейных) напряжений или то- ков и их симметричных составляющих. В частности изобретение может быть использовано для измерения показателей качества электрической энергии (отклонение напряжения коэффициентов несимметрии и неуравновешенности напряжений трехфазной сети).

Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей устройства путем измерения углов сдвига фаз высших гармоник относительно нуль-переходов первой гармоники.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройстваi на фиг. 2 - вектор- ная диаграмма, поясняющая принцип работы устройства.

Устройство содержит масштабные преобразователи 1-3 аналоговые сум- .маторы 4-8 и масштабно-суммирующий блок 9, которые в целом образуют масштабно-суммирующий преобразователь, переключатели 10, 11, Цифроаналого- вые преобразователи 12-15, аналого- lI фpoвыe преобразователи 16, 17, трехфазные источники 18, 19 опорных напряжений, управляемый фазовращатель 20, блок 21 синхронизации, пуль 22 управления, постоянный запомина- блок 23, вычислительный блок 24, дешифратор 25 адреса, регистр 26 и блок 27 индикации.

О

5

5

В состав источников 18, 19 опорных напряжений входят цифро-аналоговые преобразователи 28-35, В состав управляемого фазовращателя 20 входят фазовращатель 36 на 90 , цифро- аналоговый преобразователь 37 и аналоговый сумматор 38. В состав блока 21 синхронизации входят умножитель 39 частоты, счетчик 40, шинный формирователь 41 и элемент 42 задержки. Вычислительный блок 24 содержит микропроцессор 43, запоминаюш 1й блок 44, блок 45 местного управления, постоянный запоминающий блок 46 микрокоманд, генератор 47 импульсов, триггер 48, элемент И 49. Обмен информацией между блоками устройства осуществляется по шине 50 данных, шине 51 констант, шине 52 адреса и шине 53 управления,

Входные шины фаз А, В, С через масштабные преобразователи 1-3 под- ключены к первым входам сумматоров 4-6 соответственно. Вторые входы сумматоров 4-6 подключены к выходам источника 18 опорных напряжений, а именно к выходам цифроаналоговых преобразователей 28-30, третьи входы сумматоров 4-6 подключены к выходам источника 18 опорных напряжений, а именно к выходам цифроаналоговых преобразователей 32-34. Выходы сумматоров 4-6 соединены с соответствую- контактами переключателей 10, 11, а также с входами масштабно-суммирующего блока 9, выходы которог о

также соединены с контактами переклчателей 10, II. I

Положения переключателей 10, 1

(начиная сверху по чертежу) соответствуют режимам измерения гармоник фаз А, В, Си гармоник прямой, обратной и нулевой последовательностей, а положения переключателя 11 соответствуют выбору опорного вектора первой гармоники фаз А, В, С или прямой последовательности.

Выходы переключателя 10 через цифроаналоговые преобразователи 12, 13 и сумматор 8 связаны с входом аналого-цифрового преобразователя

16,а выходы переключателя 11 через цифроаналоговые преобразователи 14, 15 и сумматор 7 связаны с входом аналого-цифрового преобразователя

17.Выход масштабного преобразователя 1 через последовательно соединенные фазовращатель 36, цифроана- логовый преобразователь 37 и сумматор 38, второй вход которого объединен с входом фазовращателя 36, связан с входом умножителя 39 частоты, выход которого соединен со счетным входом счетчика 40 и входами запусО

ка аналого-цифровых преобразователей 16, 17, а через элемент 42 умножитель 39 частоты соединен с входом запуска вычислительного блока 24, а именно с входом установки в 1 триггера 48, Умножитель 39 частоты включает цепь фазовой подстройки частоты, поэтому его второй вход соединен с выходом старшего разряда счетчика 40, выходы которого подключены к шинному формирователю.

Выходы аналого -цифровых преобразователей 16, 17, выходы шинного формирователя 41, первые информационные входы источников 18, 19 опорных напряжений, информационные входы пульта 22 управления, информационные входы и выходы вычислительного блока 24, адресные шины постоянного запоминающего блока 23, информационные входы управляемого фазовращателя 20, входы регистра 26 объединены между собой и образуют шину 50 данных. Выходы постоянного запомина- кицего блока 23 образуют шину 51 констант и подключены к информационным входам цифроаналоговых преобразователей 12-15 и к вторым информационным входам источников 18, 19 опорных напряжений. Шина 52 адреса вычислиf5

25

Т ел1,ного блока 24 через ж ишфратор 25 свячана с шиной 53 упра1зле1{ия, которая подключена к входам синхронизации занесения информации цифроана- 5 логовых преобразователей 12-15, 28- 35, 37 и регистра 26 и к входам опроса аналого-цифровых преобразователей 16, 17, пульта 22 управления и блока 21 синхронизации вход управле- 0 ния шинным формирователем 4l). Выходы регистра 26 соединены с блоком 27 индикации.

В вычислительном блоке 24 выходы блока 45 местного управления пЪдклю- чены к адресным шинам постоянного запоминающего блока 46, выходы которого в виде шин связаны с входами управления микропроцессора 43, блока 45 местного управления, образуют шину 20 52 адреса, которая подключена к адресным шинам запоминающего блока 44 и дешифратора 25. Отдельный выход блока 46 соединен с входом установки О триггера 48. Установка сигнала переноса на входе младшего разряда микропроцессора 43 и выдача сиг- переноса старшего разряда из микропроцессора 43 в блок 45 местного управления осуществляется по шинам, связывающим эти блоки. Выход генератора 47 через элемент И 49, другой вход которого подключен к выходу триггера 48, соединен с входами синхронизации микропроцессора 43 и блока 45 местного управления.

В источниках 18, 19 опорных напряжений, которые имеют одинаковую структурную схему, выход цифроанало- гового преобразователя 31 (35) подключен к аналоговым входам цифроаналоговых преобразователей 28-30 (32- 34), а на аналоговый вход цифроана- логового преобразователя 31 (35) подается опорное напряжение ,.

Устройство работает следуюш 1м образом.

При помощи источника 18 задают систему опорных напряжений с управляемой амплитудой А, и начальной фазой ср .(начальная фаза для симметричной системы напряжений определяется по напряжению фазы А), частота которого соответствует частоте измеряемой К-й гармоники, номер которой задается пульту 22 управления. Эта система напряжений образует S-ю последовательность, номер которой задается пульту 22 управления (S f

30

5

0

5

0

5

принимает значения О, 1,2 для напряжений нулегвой, прямой и обратной последовательностей соответственно). При помощи источника 19 задается система опорных напряжений прямой последовательности основной частоты Входной сигнал U поступает на вход управляемого фазовращателя 20. В фазовращателе 36 он сдвигается на 90 и поступает на аналоговый вход цифроаналогового преобразователя 37, в который из блока 24 заносится код ii, . Напряжение Ид и выходное напряжение цифроаналогового преобразователя 37, равное jU -uLf , суммируется в сумматоре 38. Изменяя код С(4, , можно регулировать фазу выходного напряжения управляемого фазовращателя 20 (ид+jUpi . йср,), которая равна аргументу комплексного числа (1+ JAM i) Приведенная схема управляемого фазойращателя 20 позволяет сдвигать фазу напряжения на входе блока 21 синхронизации в диапазоне от -45 до +45°. Выходной сигнал управляемого фазовращателя 20 в момен перехода через нулевой-уровень запускает умножитель 39 частоты.

Умножитель 39 частоты генерирует импульсы, период следования которых равен T/N, где Т - период входных напряжений; N - коэффициент умножения частоты. Выходные импульсы.умножителя 39 поступают на входы запуска аналого-цифровых преобразователе 16, 17, на счетный вход счетчика 40, емкость которого равна N, и на вход элемента 42 задержки, который через интервал времени, несколько превьшгающий время преобразования аналого-цифровь1х преобразователей 16, 17, формирует сигнал, запускающий блок 24. Выходной код Q -счетчика 40 через шинный формирователь 41 и шину 50 данных (при условии опроса формирователя 41 ) может быть занесен в вычислительный блок 24, где. код Q используется для управления ветвлением программы.

Как уже указывалось, умножитель 39 включает цепь фазовой подстройки частоты. Для это-го выход старшего разряда счетчика 40 соединен х вторым входом умножителя 39. В этом - случае пыходные сигналы счетчика 40 жестко снязаны по фазе с входным с:и1 и,-шом блока 21 синхронизации, а .по позволяет избежать Лазовый набе

при любом изменении частоты входного сигнала блока 21.

Входные, фазные, напряжения U. , Ug, Uj, суммируются в сумматорах 4-6 с выходными напряжениями источников 18, 19 опорных напряжений U.. U,

и,

0

с.г йк

Ua

и.

Й1 B1

igj., ,, причем выходные напряжения источников 18, 19 формируются таким образом, чтобы они были

в противофазе с напряжениями соответствующих гармоник фазных напряжений. Напряжения U,, Uj,, U образуют прямую последовательность напряжений основной частоты, а напряжения U,

5 , UCK образуют S-ю последовательность напряжений К-х гармоник. Помер измеряемой последовательности S и номер гармоники К задаются на пульте 22 управления. Коды S и К через щину

0 50 данных могут быть занесены в блок 24 при опросе пульта 22 управления.

Выходные напряжения источников 18, 19 представляют собой ступенчатые синусоиды, мгновенные значения

5 которых в интервале времени, когда происходи т п -и запуск аналого-цифровых преобразователей 16, 17, ,1,.., N-1,.определяются выражениями:

0 U,,A,sin п; U,, (п- ); 2

5

u,A.sin(n+5);

U,, |-(nK+q); |(пК+(,- 5-); .sin I CnK+q- -f )

(1)

где A.

AK5

0

55

амплитуды опорных напряжений первой и К-й гармоник, коды которых занесены в цифроанапоговые преобразователи 35, 31 соответственно; Ч к начальная фаза опорного напряжения U К-й гармоники .

Соответственно, в цифроанапоговые преобразователи 32-34, 28-30 заносятся коды синусов., определяемые выражениями (1). Для этого в блоке 24 определяются коды текущих фаз 9; , которые поступают на адресные шины блока 23, ас его выхода снимаются

. 2 коды sin ;5 Q; которые по сигналам

на входах-синхронизации занесения

информации заносятся в регистрь соответствующих цифроаналоговых нреоб- разователен.

Выходные напряжения сумматоров 4-6, равные

uU,,; uUe,Up-Ug-ir ; , . ,,-U,,.

поступают на входы масштабно-сумми- рукицего блока 9, который суммирует их с определенными весовыми коэффициентами. Выходные напряжения блока 9 равны:

и, ,- i u,- i uU,;

fO

.n.n.

u, z-bU,-z-biVA - &и„ - uu.

-H

f5

(J)

J

г 6 6 5 6 6 c

и, |ьи,+1ди,+ 1&и,,.

При помощи переключателей 10, 11 выбирается режим работы устройства. На входы цифроаналоговых преобразователей 14, 15 подаются пары напряжений (и, , Ug, ), равные (iU , О),

(uUg, 0), (ivUp, 0), (U , U) нри выборе в качестве опорного вектора напряжений первой гармоники фаз А, В, С или напряжения прямой последовательности основной ..частоты соответственно . На входы цифроаналоговых преобразователей 12, 13 подаются пары напряжений (U, Идц), равные

(uUft, 0), (uUg, 0), (ли, 0), (и,, и), (Ц, и,), (U4-, 0) при измере- ,

НИИ I прмоник няпря Ачмпп (Ьл- А,, В, С или гармоник напр гжетпи (й, обратно или нулево1« паслелявятель- ностей,

Напряжения, равные нулю, на выходах цифроаналоговых преобразователей 13, 15 задаются путем подключения входов этих блоков через переключатели 10, 11 соответственно к общему проводу.

В интервале времени, когда проис- ХОДИ.Т п-и запуск анапого-цифрояого преобразователя 16, 17 в цифроана- логовые преобразователи 12-15 соответственно заносятся коды

sin --(Kn+q-,); sin -,-(Kn+cf - т);

N

N

. 2 . 21Г, N, sin --n; sxn --jn- -);

если n чет- N, . 2 |Г

20 HO, и коды sin --(Kn+cp + -); sin --x

f-,7 T, N , . 2 iT ic(Kn+cfp; sin (n+ ); sin -- n.

25

30

u;, sin |(Kn+Cf,) J- (Kn+Cf,), ,. |-(Kn+q,) |-(Kn+cp,), ,3,

,,1.ZT,,2 lT ,-. rjXT о

Us,sin -- n-Ug.ccs -- n, n-0,2, . . . ,N-2

,,i2 ir . 2 i 10TkT 1

.Us,cos -- -- n ,3,....,N-l

Выходные коды ан алог О-цифровыхп -т„г,.„, i м

если n нечетно.

Таким образом, напряжения IL, Ugi Ug, Ug умножаются на указанные величины тригонометрических функций. Выходные напряжения цифроаналоговых преобразователей 12, 13 и 14, 15 попарно суммируются в сумматорах 7, 8 и преобразуются в аналого-цифровых преобразователях 16, 17 в коды, которые вследствие выше сказанного после n-го запуска аналого-цифрового преобразования равны: 21Г

,.,N-2 ,N-1

(41

Величины (5) используются для оп- преобразователей 17, 16 через шину ределения новых значений амплитуд 50. данных поступают в микропроцессор опорных напряжений А,, А., начальной 43, где они суммируются соответству- 45 Фазы q и угла сдвига фазы &Ц), вносимого управляемым фазовращателем 20. Поясним, как определяются эти величины на примере векторной диаграммы

(фиг. 2).

Пусть после некоторого i-ro цикла

ющим образом с содержимым ячеек ДЬ, , йа, , ЛЬ, йа, которые выводятся в микропроцессор 43 из блока 44. В этих ячейках хранятся частичные суммы, необходимые для определения синус50 ных и косинусных составляющих неском- работы устройства вектор напряжения пенсированных напряжений опорного первой гармоники (безразлично фазного напряжения или напряжения прямой последовательности) сдвинут на угол Mf, относительно вектора опорного напряжения А источника 19 опорного напряжения (напомним, что начальная фаза опорного напряжотия первой fi-o N-2 n«),3,.-iN- J гармоники принята равной нулю, поэтовектора измеряемой гармоники. В конце периода входных напряжений величины ЬЬ,, .а,, лЬ, ьа, равны:

ль,

z:

« .2,...,м-г

,

nr1,3,,..,M-t

(5)

.. i«K

fO

f5

)

НИИ I прмоник няпря Ачмпп (Ьл- А,, В, С или гармоник напр гжетпи (й, обратно или нулево1« паслелявятель- ностей,

Напряжения, равные нулю, на выходах цифроаналоговых преобразователей 13, 15 задаются путем подключения входов этих блоков через переключатели 10, 11 соответственно к общему проводу.

В интервале времени, когда проис- ХОДИ.Т п-и запуск анапого-цифрояого преобразователя 16, 17 в цифроана- логовые преобразователи 12-15 соответственно заносятся коды

sin --(Kn+q-,); sin -,-(Kn+cf - т);

N

N

. 2 . 21Г, N, sin --n; sxn --jn- -);

если n чет- N, . 2 |Г

20 HO, и коды sin --(Kn+cp + -); sin --x

f-,7 T, N , . 2 iT ic(Kn+cfp; sin (n+ ); sin -- n.

J- (Kn+Cf,), ,. |-(Kn+cp,), ,3,

если n нечетно.

Таким образом, напряжения IL, Ugi Ug, Ug умножаются на указанные величины тригонометрических функций. Выходные напряжения цифроаналоговых преобразователей 12, 13 и 14, 15 попарно суммируются в сумматорах 7, 8 и преобразуются в аналого-цифровых преобразователях 16, 17 в коды, которые вследствие выше сказанного после n-го запуска аналого-цифрового преобразования равны: 21Г

,.,N-2 ,N-1

(41

(фиг. 2).

Пусть после некоторого i-ro цикла

работы устройства вектор напряжения первой гармоники (безразлично фазного напряжения или напряжения прямой последовательности) сдвинут на угол Mf, относительно вектора опорного напряжения А источника 19 опорного напряжения (напомним, что началь ная фаза опорного напряжотия первой гармоники принята равной нулю, поэтому вектор А

9 ЗП739()

лежит на действительной

оси); вектор напряжений К-й гармоники (также безразлично фазного напряжения или симметричной составляющей) сдвинут на угол Лц ;относительно вектора опорного напряжения . источника 18, начальная фаза которого относительно нуль-перехода опорного напряжения первой гармоники равна .

Б результате обработки в блоке 24 выходных кодов А1ТП в соответствии с формулами (5) определяются величины b , ла , которые равны проекциям вектора (Ц;-А,;) на действительную или мнимую оси, и величины Ь, ,, которые равны проекциям вектора ( -А О на ось, совпадающую по направлению с вектором AJ.J, и на ось, перпендикулярную направлению вектора В блоке 24 вычисляются новые

к.. А,., ис,,, таким образом, чтобы в следующем (i+ +1)-м цикле работы устройства значения А

торы опорных напряжений А

к,ж

М,К4-(

максимально приближались к векторам

Л ,,,.,

тора А, не изменяется в системе оKUi i,i+t направление вексчета устройства, то изменение угла сдвига фазы, вносимого фазовращателем 20, на величину дс приводит к повороту вектора напряжения U, на величину Ыр, относительно вектора

и.

а вектора напряжения

UK,141 - на

величину КйЦ|; относительно вектора Из геометрических построений

и

HI

на фиг, 2 следует, что если новые значения указанных величин, с учето того, что значения синусов в блоке 23 определены для углов, кратных 2 ii /N, будут в блоке 24 определены по формулам:

Ч,;. |. arctg .

q

N

11 &ак;

K,U1

1,11

и A

9.-. -K,,,;,j(6)

,(м(А,;+йЬ,.)Ч(ьа,;) Av,U,H(A,,+ ibjt(ua,/

(t

TO векторы , и , практически совпадут . Формулы (6) довольно громоздкие, поэтому, чтобы избежать вычисления функций арктангенса и корня квадратного, можно воспользоваться приближенными зависимостями: ,

,ifi

fl.iM

tP

k,i -КйЧ ,,;,

5

0

5

0

,

,iH i;

A . A ,+ ub .+ r

H,l4-1ki Kr 2

,.-t- г

ла

2 A,,+uh,;

йа1;

A,i+ub,;

(7)

5

В этом случае процесс уравновешивания напряжений U и U| выполняется за несколько циклов, т.к. формулы ,7) практически совпадают с (б) только при малых значениях 6а,, Ь, , йа| , &Ь. Однако после уравновешивания устройство отслеживает все изменения параметров входных напряжений и применение упрощенных формул (7) практически не ухудшает быстродействия устройства. Указанные величины малы только тогда, когда в системе напряжений на выходах сумматоров 4-6 напряжения пр ямой последовательности основной частоты и напряжение S-й последовательности К-х гармоник равны нулю или в случае измерения параметров однофазного напряжения напряжения первой и К-й гармоник в выбранной фазе равны нулю. Это возможно тольксэ при совпадении векторов напряжений U, и U и А, Результат измерения - амплитуда А или начальная фаза (Jf - заносится в регистр 26 и индицируется блоком 27,

Формулаизобретения

Устройство для измерения параметров трехфазной сети, содержащее три

масштабных преобразователя, три сумматора первые входы которых через соответствующие масштабные преобразователи соединены с входными шинами, масштабно-суммирующий блок, входы

которого подключены к выходам первого, второго и третьего сумматоров, первьй переключатель, входы которого соединены с соответствующими выходами масштабно-суммирующего блока,

цервый цифроаналоговый преобразователь, вычислительный блок, пульт управления, постоянный запоминающий блок, первый источник опорных напряжений, выходы которого соединены с

вторыми входами первого, второго и третьего сумматоров соответственно, блок синхронизации, блок индикации, который через регистр соединен с шиной данных, которая также подключена

и13

к входам постоянного запоминающего блока, к первым информационным входам первого источника опорных напряжений и к информационным выходам вычислительного блока, причем вторые информационные входы первого источника опорных напряжений и информационные входы первого цифроаналогового преобразователя присоединены к выходам постоянного запоминающего бло- ка, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности и расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введены второй источник опорных напряжений, второй переключатель, второй,третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи, четвертый и пятый сумматоры, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, депшфратор адреса и управляемый фазовращатель, вход которого подключен к выходу первого масштабного преобразователя, а выход к первому входу блока синхронизации, при этом другие входы первого пере- ключателя подключены к входам масштабно-суммирующего блока, а выходы первого переключателя через первый и второй цифроаналоговые преобразователи соединены с входами четвертого сумматора, выход которого подключен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, входы второго переключателя подключены к соответствующим входам и выходам масштабно-сум- мирующего блока, а выходы второго переключателя через третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи соединены с входами пятого сумматора.

9ft12

выход которого подключен к входу пто рого аналого-цифрового преобразователя , информационные выходы пергюго и второго аналого-цифровых преобразователей, пульта управления и блока синхронизации соединены через тину данных с первыми информационными входами второго источника опорных напряжений, с информационными входами управляемого фазовращателя и с информационными входами и выходами вычислительного блока, а вторые информационные входы второго источника опорных напряжений и информационные входы второго, третьего и четвертого аналого-цифровых преобразователей присоединены к выходам постоянного запоминающего блока, соответствующие выходы второго источника опорных напряжений соединены с третьими входами первого, второго и третьего сумматоров, кроме этого, входы запуска первого и второго аналого-цифровых преобразователей объединены и подключены к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен с входом запуска вычислительного блока, щина адреса которого через дешифратор адреса соединена с входами синхронизации занесения информации в первый и второй источники опорных напряжений, в первый, второй, третий и четвертый цифроаналого- вые преобразователи, в управляемый фазовращатель и регистр и с входами управления опросом первого и второго аналого-цифровых преобразователей, пульта управления и блока синхронизации.

Uii

fi

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исА 0ч пользовано для измерения действующих значений и начальных углов сдвига фаз фазных (линейных) напряжений или токов -и их симметричных составляющих. Цель изобретения - повьшение точности и расширение функциональных возможностей устройства. Для достижения поставленной цели в устройство введены источник 19 опорных напряжений, переключатель 11, цифроаналого- вые преобразователи 13, 14, 15,- сумматоры 7, 8, аналого-цифровые преобразователи 16, 17, дешифратор 25 адреса, управляемый фазовращатель 20. Устройство также содержит масштабные преобразователи 1, 2, 3, СЛ фиг./

Редактор М.Циткина

Составитель Н.Михалев Техред Л.Олейник

Заказ 1629/46 Тираж 731Подписное

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

Корректор Л.Пилипенко