Анализатор гармоник Советский патент 1988 года по МПК G01R23/16 

а JL ПХ. €.

-,grrП

1I I

I

/J

v fi,

--Г-0

oo o

4

r

O5

J i J2

N)

Изобретение относится к электроизоляционной и аналого-цифровой вычислительной технике, предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового сигнала, а также реактивной мощности в электрической цепи, преимущественно в несинусои- дальном режиме, может найти применение в составе различного рода информационно-измерительных и управляющих комплексов и систем, в качестве автономного устройства для гармонического ) анализа напряжений и токов, при аппаратурном определении реактивной мощности в системах энергоснабжения и является усовершенствованием анализатора по авт. св. № 815669.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем дополнительного вычисления реактивной мощности в электрической цепи.

Реактивная мощность в электрической цепи при несинусоидальнйм напряжении и токе определяется следующим образом:

Q r.Q. Eu I sini)

где III|,I - действующие значения напряжения и тока k-й гармоники;

(( - фазовый сдвиг между напряжением и током k-й гармоники.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Анализатор гармоник содержит первый - шестой интеграторы 1-6, первый и второй сумматоры 7 и 8, первый и второй компараторы 9 и 10 и первый - двадцать второй аналоговые ключи 11-32.

Выход первого сумматора 7 через первый аналоговый ключ 11 соединен с первым входом первого интегратора 1, выход которого соединен с первым входом второго интегратора 2 через второй аналоговый ключ 12 и с первым выходом устройства через третий аналоговый ключ 13. Выход второго интегратора 2 соединен с вторым входом первого сумматора 7, первый вход которого через четвертый аналоговый ключ 14 соединен с первым входом устройства. Второй вход устройства чере пятый аналоговый ключ 15 соединен с

первым входом третьего интегратора 3, выход которого через шестой аналоговый ключ 16 соединен с вторым выходом устройства. Входы начального значения интегрирования первого - шестого интеграторов 1-6 соединены с общей шиной устройства соответственно через седьмой - девятый и двенадцатый - двадцать первый аналоговые ключи 17-19 и 29-31. Входы управления коэффициентом передачи первого - пятого интеграторов 1-5 соединены с третьим входом устройства. Входы

управления коэффициентом передачи первого и второго сумматоров 7 и 8 соединены с четвертым входом устройства. Первый вход первого компаратора 9 через десятый аналоговый ключ

20 соединен с выходом первого интегратора 1 и через одиннадцатый аналоговый ключ 21 с выходом второго интегратора 2. Второй вход первого интегратора 1 через двенадцатый аналоговый ключ 22 соединен с шестым входом устройства. Выход второго сумматора 8 через тринадцатый аналоговый ключ 23 соединен с входом четвертого интегратора 4. Выход пятого интегратора 5 через четырнадцатый ангшого- вый ключ 24 соединен с входом шестого интегратора 6, выход каждого через пятнадцатый аналоговый ключ 25 соединен с третьим выходом устройства. Выход четвертого интегратора 4 через

семнадцатый аналоговый ключ 27 соединен с четвертым выходом устройства и через шестнадцатый аналоговый ключ 26 с входом пятого интегратора 5, выход каждого соединен с первым входом второго компаратора 10 и с вторым входом второго сумматора 8. Пятый вход устройства через восемнадцатый аналоговый ключ 28 соединен с первым входом второго сумматора 8.

Вторые входы компараторов 9 и 10 соединены с общей щиной устройства. Выход третьего интегратора 3 через двадцать второй аналоговый ключ 32 соединен с пятым выходом устройства. Выход первого компаратора 9 связан с управляющими входами аналоговых ключей 13 и 16, а второго компаратора 10 - с управляющими входами аналоговых ключей 27 и 32.

Устройство работает следующим образом.

Ai-тлитуда и фаза напряжений и токов п гармоник, а также реактивная

моЕцность в электрической цепи вычисляются за время цикла, который состоит из п идентичных подциклов (с незначительными изменениями в первом и п-м подциклах). В каждом таком под- цикле вычисляются амплитуды и фазы напряжений и тока очередной k-й гармоники, элементарная реактивная мощность

Q.

1

и„,к-1п.,,з1П1;,,

связанная с наличием в электрической

код N . Если входной сигнал подается на вход генератора в течение одного периода Т электрических колебаний в цепи, то по окончании этого периода напряжения на выходах соответствующих интеграторов численно равны амплитудам косинусной и синусной составляющих (напряжения или тока), то есть коэффициентам Фурье А и В.

В третьем такте в момент времени Т (от начала второго такта) входные аналоговые ключи 1А и 28 разомкнуты и переводят генераторы в режим преоб

Изобретение предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового сигнала и позволяет расширить функциональные возможности устройства. Анализатор содержит интеграторы 1-3 с переменным коэффициентом передачи (ПК), сумматор 7 с ПК по первому входу и с постоянным по второму, компаратор 9, аналоговые ключи 21-32. Введение интеграторов 4 и 5 с ПК, интегратора 6 с постоянным коэффициентом передачи, сумматора 8 с ПК, компаратора 10 и аналоговых ключей 11-20 обеспечивает дополнительное вычисление реактивной мощности в электрической цепи, которая при несинусоидальных напряжении и токе определяется согласно выражениям, приведенным в тексте описания. 1 ил. (Л

цепи k-й гармоники, а также сумма ре- g разования координат. В этом режиме

напряжения на выходах интеграторов имеют следующий вид:

U7,(t)u.cos(u)t-4,, J;

активных мощностей всех уже вычисленных (в данном и предыдущих подциклах) гармоник.

Рассмотрим функционирование устройства в некотором k-M подцикле, учитывая, что в остальных подциклах устройство работает аналогичным образом. Каждый подцикл состоит из девяти тактов различной длительности. Обозначение вида О : в дальнейшем соответствует началу отсчета времени в J-M такте ().

В первом такте на первом - пятом интеграторах 1-5 устройства устанавливаются нулевые начальные условия, что достигается замыканием ключей 17-19 и 29-30 на время, достаточное для полного разряда конденсаторов интеграторов. Этим временем и определяется длительность первого такта.

В первом такте первого подцикла, кроме того, устанавливаются нулевые начальные условия на интеграторе 6 (замыканием ключа 31). .

Во втором такте вьмисляются коэффициенты разложения кривых напряжения и тока в ряд Фурье U ц и .

20

25

30

35

40

I

-Л,к

И I

в,К

Для этого генераторы синусно- косииусного напряжения, каждый составленный первым и вторым интеграторами и первым сумматором (к ольцо напряжения) и составленный четвертым и пятым интеграторами и вторым сумматором (кольцо тока), переводятся в режим вычисления коэффициентов ряда Фурье. При этом замыкаются ключи 11, 12, 23, 26, 14, 28. Оба генератора настраиваются на частоту k-й гармоники в результате подачи соответствующего кода на входы управления блоков цифроуправляемой проводимости. На вход управления блока цифрового управляемого сопротивления подается

)-U„,,sin(.,J;

U-,(t)I,r,,K cos(u:t-u k) M, ; U,Jt)-M,-I,sin(u,t-

Z5

где М j - масштабный коэффициент пре образования тока в электри ческой цепи во входное напряжение кольца тока. Поскольку фазовый сдвиг между на пряжением и током k-й гармоники

о,..

с учетом формулы приобретают следующий вид:

и, (t)-U cos( a)t-i/y); (г)-и„, sin( J; U,,(t)Mi-I, . и

Z4 75

,cos(u)t-i)+OK);

(t)-Mj 1„ sin(u)t- i/ +QJ.

1 в некоторый момент времени t , определяемый из условия u)t , на пряжение на выходе первого интегратора 1 Uj, (t )и„|, а интервал времени от начала такта до момента t пропорционален фазовому углу напря жения k-й гармоники. Момент времени t определяется компаратором 9 по п

5 реходу выходного напряжения второгС интегратора 2 через нуль в направле нии от плюса к минусу относительно общей точки. Для этого в данном так те компаратор 9 подключается к выхо

50 ду второго интегратора 2 через замк нутый ключ 21. В момент времени t напряжение на выходе пятого интегратора

55 U.,(t )-Mj-I sina,.

На протяжении всего третьего так та третий интегратор 3 интегрирует постоянное опорное напряжение

U7,(t)u.cos(u)t-4,, J;

)-U„,,sin(.,J;

U-,(t)I,r,,K cos(u:t-u k) M, ; U,Jt)-M,-I,sin(u,t-

Z5

где М j - масштабный коэффициент преобразования тока в электрической цепи во входное напряжение кольца тока. Поскольку фазовый сдвиг между напряжением и током k-й гармоники

о,..

с учетом формулы приобретают следующий вид:

и, (t)-U cos( a)t-i/y); (г)-и„, sin( J; U,,(t)Mi-I, . и

Z4 75

,cos(u)t-i)+OK);

(t)-Mj 1„ sin(u)t- i/ +QJ.

1 в некоторый момент времени t , определяемый из условия u)t , напряжение на выходе первого интегратора 1 Uj, (t )и„|, а интервал времени от начала такта до момента t пропорционален фазовому углу напряжения k-й гармоники. Момент времени t определяется компаратором 9 по переходу выходного напряжения второгС интегратора 2 через нуль в направлении от плюса к минусу относительно общей точки. Для этого в данном такте компаратор 9 подключается к выходу второго интегратора 2 через замкнутый ключ 21. В момент времени t напряжение на выходе пятого интегратора

U.,(t )-Mj-I sina,.

На протяжении всего третьего такта третий интегратор 3 интегрирует постоянное опорное напряжение

51

В момент времени выходное напряжение третьего интегратора

)a,U,t ,

k учитывая, что t - - ,

U,,(t )a, и

73

00

и

чл

где и; - частота, на которую настроены генераторы синусно-коси- нусного напряжения.

Поскольку длительность данного такта оказывается тем больше, чем выше указанная частота, то целесообразно настраивать генератор (путем подачи соответствующего кода N на управляющие входы блоков цифроуправ- ляемой проводимости) на одну из высших гармоник анализируемого колебания .

Таким образом, в момент окончания третьего такта на первом интеграторе 1 находится напряжение, равнбе амплитуде k-й гармоники, на третьем интеграторе - напряжение, пропорциональное фазовому углу этой гармоники, и на пятом интеграторе - напряжение, пропорциональное реактивной мощности k-й гармоники.

В четвертом такте первый и третий интеграторы переводятся в режим хранения (ключи 11 и 15 размыкаются). Через замкнутые ключи 13 и 16 напряжения

Uzi(t )U,,;

поступают в регистрирующее устройство.

Длительность этого такта определяется временем, необходимым для записи указанных напряжений в регистрирующее устройство. В некоторых случаях возможно считывание информации из устройства на лету, без перевода интеграторов в режим хранения. В этом случае четвертый такт может быть исключен.

В пятом такте вычисляется реактивная мощность k-й гармоники и суммируется с реактивными мощностями ранее вычисленных гармоник.

Для этого из первого 1 и шестого 6 интеграторов организуется множительное устройство (ключи 11, 26 разомкнуты, 22, 24 замкнуты). Амплитуда k-й гармоники напряжения списывается в результате подачи опорного

364996в

напряжения через замкнутый ключ 22 на второй вход интегратора 1 до нуля:

U2,(t)U2, (05)-a/U.t,

где и

.,(0.;

-выходное напряжение первого интегратора в начале пятого такта,В;

-коэффициент передачи первого интегратора по второму входу.

Для некоторого момента времени t

u,,(t)o,

следовательно

a,-U,n.,(05)U,.

Таким образом, интервал времени от начала такта до момента t, в который выходное напряжение первого интегратора, уменьшаясь, достигает нуля, пропорционален амплитуде k-й гармоники напряжения:

t

и

т,к

и

оп

На протяжении этого интервала шестой интегратор 6 интегрирует напряжение с выхода пятого интегратора 5, который находится в режиме хранения . При этом напряжение на выходе шестого интегратора

U,(t)U,,(05)-a,-U,5(05)-t,

где а 4 - коэффициент передачи шестого интегратора, с

Напряжение на выходе пятого интегратора в начале такта

U25(05)U,5(t )-М, I.-sin,.

В момент времени t

и,, () и, Л О,) + . i.

а - Von

Таким образом, к начальному напряжению, хранившемуся на шестом интеграторе, добавляется величина

(U,I,..

пропорциональная реактивной мощности k-й гармоники.

Коэффициент пропорциональности

м 2 1

а -а - Uon I В А 1

В первом подцикле напряжение на естом интеграторе к началу такта отсутствует, поэтому по окончании такта на шестом интеграторе сохраняется зкачекие напряжения

U,,(t)-Ug,Ma-Q,,

пропорциональное реактивной мощности первой гармоники.

По окончании второго подпикла

(t)Uz,(0,)+Ufl,,,. Наконец по окончании п-го подцикла

U,,(t)I.Ua,,Ma.o

К

н& шестом интеграторе накапливается величина, пропорциональная реактивной мощности Q.

Для регистрации момента t используется компаратор 9, подключаемый через замкнутый ключ 20 к выходу первого интегратора. Ключ 21 соответственно разомкнут.

Длительность такта, равная интервалу О, t, 1, зависит от реактив- ной мощности гармоники.

В шестом - девятом тактах вычисляются амплитуда Irn.v фаза гармоники. Кольцо напряжения - генератор синусно-косинусного напряже- ния, составленный интеграторами 1 и 2 и сумматором 7, в этих тактах участия не принимают. Кольцо тока - генератор синусно-косинусного напряжения, составленный интеграторами 4 и 5, в шестом-седьмом тактах функционируют также, как и в первом - втором: после подготовки (сброса) интеграторов вычисляются косинусная и синусная составляющие k-й гармоники тока.

В восьмом такте вычисляются собственно амплитуда I („ ц и фаза Ч ,к k-й гармоники тока. С этой целью кольцо тока переводится в режим преобразова- ния координат. При прохождении выходным напряжением интегратора 5 через нуль в направлении от минуса к плюсу (определяется компаратором 10) кольцо останавливается, размыкаются ключи 23, 26, 15. Выходное напряжение четвертого интегратора пропорционально амплитуде k-й гармоники тока.

Интегратор 3 в этом такте преобразует интервал, пропорциональный фазе k-й гармоники тока, в соответствующее напряжение. После размыкания ключа 15 зто напряжение сохраняется на интеграторе 3.

5

0

0 5 0

5 Q

В девятом такте осуществляется выдача напряжений, пропорциональных амплитуде и фазе k-й гармоники тока, с выводов интеграторов 3 и 4 через замкнутые ключи 27 и 32 в регистрирующее устройство.

В завершающем п-м подцикле в любом такте с шестого по Девятый через замкнутый ключ 25 может быть вьщано значение напряжения, пропорционального реактивной могчности.

По завершению п-го подцикла цикл работы устройства повторяется.

Устройство вычисляет как амплитуду и фазы напряжения и тока отдельных гармоник, так и реактивную мощность в электрической цепи.

Формула изобретения

Анализатор гармоник по авт. св. № 815669, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в него дополнительно введены четвертый - пятый интеграторы с переменным коэффициентом передачи и шестой интегратор с постоянным коэффициентом передачи, второй сумматор с переменным коэффициентом передачи по первому входу и с постоянным по второму, второй компаратор и десятый - двадцать второй аналоговые ключи, причем первый вход первого компаратора через десятьш аналоговый ключ соединен с выходом первого интегратора и через одиннадцатый аналоговый ключ соединен с выходом второго интегратора, второй вход первого интегратора через двенадцатый аналоговьлй ключ соединен с шестым входом устройства, выход второго сумматора через тринадцатый аналоговьй ключ соединен с входом четвертого интегратора, выход пятого интегратора через четырнадцатый аналоговый ключ соединен с входом шестого интегратора, выход которого через пятнадцатый аналоговый ключ соединен с третьим выходом устройства, выход четвертого интегратора через семнадцатый аналоговьй ключ соединен с четвертым выходом устройства и через шестнадцатый аналоговый ключ - с входом пятого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго компаратора и вторым входом второго сумматора, пятый вход устройства через восемнадцатый ана91364996 О

лотовый ключ соединен с первым входомторов соединены с третьим выходом

второго сумматора, входы начальногоустройства, вход управления коэффицизначения интегрирования четвертого -ентом передачи второго сумматора соешестого интеграторов соединены соот-динен с четвертым выходом устройства,

ветственно через девятнадцатый - двад-выход третьего интегратора через

цать первый аналоговые ключи, а так-двадцать второй аналоговый ключ соеже второй вход второго компараторадинен с пятым выходом устройства, а

соединены с общей шиной устройства,выход второго компаратора связан с

входы управления коэффициентом пере- дуправляющими входами семнадцатого и

дачи четвертого - пятого интегра-двадцать второго аналоговых ключей.