Панорамный анализатор частотных характеристик входного сопротивления промышленных электрических сетей Советский патент 1988 года по МПК G01R27/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения и исследования частот ных хара к те ри с тик в ход ных с о п- ротивлений электроэнергетических систем и систем электроснабжения промышленных предприятий.

Известен анализатор .полных гармонических сопротивлений многофазной электрической системы с нелинейной и несимметричной нагрузкой, содержащий два блока деления, блок управления, генератор двух симметричных взаимоортогональных т-фазных прямоугольных систем напряжений и четыре идентичных канала, выполненных -в виде последовательно соединенных сумматора и фильтра нижних частот, 2га ключей для переноса спектра, 2тфиль- трон низкой частоты, 4п1 ключей, причем щ-входы анализатора чер ез ключи для переноса спектра соединены с фильтрами низкой частоты, выходы которых через 4т ключей соединены с сумматорами первого И второго каналов и другие 4т - с сумматорами третьего и четвертого .каналов соответственно, управляющие- входы 4т ключей

0

0

50 Гц), так как сетевые нелинейные нагрузки генерируют в сеть гармоники токов с ,частотами в 100, 150 Гц и т.д. Следовательно, частотная характеристика входного сопротивления может быть измерена только в дискретных точках, отстоящих друг от друга, не менее чем на 50 Гц. Низкая точность измерения обусловлена тем-, что кроме нелинейной нагрузки, подключенной в исследуемом узле, в сети, как правило, имеется множество других нелинейных нагрузок (сварочные машины, 5 вентильный электропривод, люминесцентное освещение и др.), причем гармоники, которые они генерируют, являются паразитными по отношению к гар моникам, генерируемым основной нелинейной нагрузкой,, и вносят дополнительную погрешность в измерения. Кроме згого, для получения приемлемой точности измерения необходимо, чтобы гармоники тока и напряжения, используемые в измерении, все имели достаточную величину. В реальных системах электроснабжения это условие не выполняется и гармоники с увеличением их порядкового номера, как правило.

5

соединены с выходами генератора двух зо быстро уменьшаются по величине.

симметричных взаимоортогональных т-фазных прямоугольных систем -напряжения, вход которого соедин.ен с вы- ходом блока управления, другой выход которого соединен с управляющими входами 2т ключей для переноса спектра.

Особенностью этого анализатора является то, что- его принцип действи основан на анализе уже имеющихся в данном узле сети искажениях напряжения и тока, создаваемых нелинейной нагрузкой сетиб Результатом анализа является измерение высших гармоник напряжения и тока, по величинам которых определяют значения частотной зависимости входного сопротивления электрической .сети в -дискретных точках на оси частот, так называемые гармонические сопротивления ll..

Недостатками известного анализатора являются низкая разрешающая способность по частоте и низкая точност измерения.

Низкая разрешающая способность вызвана тем, что измерение входного сопротивления сети может быть осуществлено только на частотах, кратных основной частоте- сети (с шагом в

5

0

5

0

5

Наиболее .близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство для измерения частотной характеристики модуля входного сопротивления распределительной сети, содержащее управляемую нелинейную нагрузку, к которой подключен анализатор спектра напряжения и тока блок управления нелинейной нагрузкой и делитель частоты напряжения сети, вы- -ход которого подключен к входу блока управления нелинейной нагрузкой,.

С помощью такого-устройства производится измерение входного сопротивления электрической сети на частотах, не кратных основной частоте сети, а именно на частотах 75, 125, 175 Гц и т.д. Это позволяет отстроиться от влияния паразитных гармоник, создаваемых другими нелинейными нагрузками - 2. Однако известное устройство имеет низкую разрешающую способность по частоте, так как измерение может быть осуществлено только в дискретных точках на оси частот, из-за чего мо- гут быть пропущены резонансные всплески и провалы на кривой искомой частотной характеристики. Кроме того, устройство имеет большую погрешность измерения, возрастающую с увеличение частоты из-за уменьшения амплитуд гармоник с увеличением их порядкового номер а.

.Недостатком устройства является также сложность и трудоемкость процесса измерения - для его осуществле ния необходимо иметь анализатор для одновременного определения спектра напряжения и тока. Использование одного анализатора спектра обычного

-типа приводит к необходимости измерят гармоники напряжения н тока в разные моменты времени. В результате появляется погрешность из-за неодновременности измерения, так как в паузу между двумя циклами измерения искома частотная характеристика может измениться (коммутации электрооборудования, изменения режима работы нагрузо и т.д.). Использование двух анализаторов спектра также практически не- Возможно из-за трудностей по их синхронизации.

Известное устройство может быть

Iприменено только для грубой оценки частотной характеристики входного сопротивления электрической сети в нескольких точках на оси частот.

Цель изобретения - повышение точности измерения и увеличение разрешающей способности анализатора по частоте.

Поставленная цель достигается тем что в панорамный анализатор частотных характеристик входного сопротив- ления промьшшенных электрических сетей, содержащий управляемую нелинейную нагрузку, первый зажим которой подключен к исследуемой сети, второй зажим соединен с корпусом (землей), управляющие входы соединены соответственно с выходами блока управления нагрузкой, индикатор, измерительньй трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к исследуемой сети, введены задатчик кода, последовательно соединенные генера- тор прямоугольных импульсов, упрар- ляемьй двоичный, счетчик и цифроана- логовый преобразователь, а также последовательно соединённые режекторный фильтр, выпрямитель и фильтр нижних частот. Причем выход цифроаналоговог преобразователя соединен с входом блока управления нагрузкой и входом

о

0

5

управления электронным лучом по горизонтали индикатора, вход управления электронным лучом по вертикали которого соединен с выходом фильтра нижних частот, вторичная обмотка измерительного трансформатора напряжения подключена к входу режекторного фильтра, дополнительньй вход управляемо- .го двоичного счетчика соединен с выходом задатчика кода, вход которого соединен с выходом переполнения счетчика.

Блок управления нагрузкой содержит последовательно соединенные преобразователь напряжения в частоту следования импульсов и генератор функций Уолша, выходы которого соединены с выходами блока управления нагрузкой, входом которого является вход преобразователя напряжения в частоту следования импульсов.

Управляемая нелинейная нагрузка выполнена в виде параллельных цепей, состоящих из последовательно соединенных весового резистора и электронного ключа, управляющие входы элек- , тронных ключей соединены с соответствующими выходами блока управления нагрузкой, общие вьшоды весовых резисторов соединены с первым зажимом управляемой нелинейной нагрузки, общие выходы электронных ключей соединены с вьшодом дополнительного переменного резистора, второй вьшод которого соединен с вторым зажимом управляемой нелинейной нагрузки.

На фиг.1 представлена блок-схема панорамного анализатора; на фиг.2 - принципиальная схема управляемой нелинейной нагрузки; на фиг.З - график функции изменения сопротивления нелинейной нагрузки;ана фиг.4 - спектр функции изменения сопротивления нелинейной нагрузки по системе орто- гональных базисных функций Уолша.

Анализатор (фнг.1) содержит управляемую нелинейную, нагрузку 1, блок 2 управления нагрузкой, состоящий из последовательно соединенных генератора 3 прямоугольных функций Уолша и преобразователя 4 напряжения в частоту следования импульсов, цифроана- логовый преобразователь 5, управляемый двоичный счетчик 6, задатчик 7 кода, генератор 8 прямоугольных импульсов, индикатор 9 электронно-лучевой, фильтр 10 нижних частот, выпрямитель 11, режекторный фильтр 12,

трансформатор 13 напряжения и вольтметр. 14 действующего значения напря- ения.

Выход генератора 8 прямоугольных импульсов соединен с последовательно соединенными управляемым двоичным счетчиком 6 и цифроаналоговым преобразователем 5, выход которого соединен.с входом блока 2 управления нагрузкой и с одним из входов индикатора 9j выход задатчика 7 кода соединен с дополнительным входом управляемого двоичного счетчика 6, выход переполнения которого соединен с входом задатчика 7 кода, первичная обмотка трансформатора 13 напряжения и первьй зажим управляемой нелинейной нагрузки 1 подключены к исследуемой сети, вторичная обмотка трансформатора 13 напряжения подключена к входу режекторного фильтра 12, к выходу которого через выпрямитель 11 и фильтр 10 нижних частот подключен индикатор 9.

Сущность изобретения состоит в следующем..

В установившемся режиме напряжени в исследуемом узле электрической сети может быть описано синусоидальной функцией

Uc(t) , (1) где амплитудное значение напряжения сети;

ы 2i7f - угловая частота напряжения сети (f 50 Гц).

Если к исследуемому узлу сети подключить нелинейную нагрузку 1, проводимость g(t) которой изменяется во времени по следующему закону

g(t) 1 - G,cosat, (2) где. G - постоянная величина, значение которой удовлетворяет условию -Off, 1j а - угловая частота, t - текущее время,

то мгновенное значение потребляемого (генерируемого) этой нагрузкой 1 ток определится из выражения

i(t) Uc(t)g(t) U sinujt +

+ sin(u- a)t + sin(w+a)t. (3)

Протекание этого тока приведет к возникновению падения напряжения на входном сопротивлении электрической сети, внешней По отношению к ветви с нелинейной нагрузкой 1. Это падени напряжения в соответствии с законом Ома описывается выражением

,

(w+a)t,

(4)

где Z, Z, модули входного

сопротивления, электрической сети соответ . ственно на частотах W, о - а и о + а.

Падение напряжения, описываемое формулой (4), накладьшается на сину- сойду основного напряжения сети,описываемого вьфажением (1), и приводит к его искажению. Результирующее напряжение имеет вид

Uc(t) Uc(t) + Ue(t) (

+ Z Ujsinu t + .«sin(u,- a)t +

45)

+ ,Zw.c,sin(w+ a)t.

Если :;из вьфажения (5) отфильтро- составляющую основной частоты сети U , то получим напряжение

U(t) .«sin(u)- a)t +

0

5

+ Z,,,,„sin(w + a)t .

(6)

Эффективное U, (действующее) значение напряжения (6) пропорционально эквивалентному сопротивлению сети в полосе частот ы - а и w + а, так как величины U,

и G заданы

и

Ф

4/2 +

W-a

ZI,

(7)

Очевидно, что если осуществлять плавную перестройку частоты а, с которой изменяется нелинейная нагрузка 1, то величина U эф будет описйвать во времени кривую, соответствующую искомой частотной характеристике входного сопротивления электрической сети.

Практически можно управлять только сопротивлением нагрузки 1. Закон изменения сопротивления нелинейной нагрузки 1 имеет вид

zCt)

(8)

J

g(t) График функции Z(t) приведен на фиг.3.

Нелинейная нагрузка 1, проводимость которой изменяется во времени по закону (2), может быть реализована схемой, представленной на фиг.2, где каждый из,ключей К, ..., К „(запираемые тиристоры, транзисторы и др.) управляется своей прямоугольной функцией Уолша, а номиналы резисторов R, ..., R численно равны значе- ниям соответствующих спектральных коэффициентов функции Уолша, коммутируемой данным ключом.

Дополнительный резистор R необходим для плавной регулировки величины суммарного тока, протекающего через нагрузку 1.

Анализатор работает следующим образом.

С момента включения питания им- пульсы с выхода задающего генератора 8 начинают заполнять счетчик 6. С поступлением каждого им.пульса происходит увеличение кода в счетчике 6 на единицу. Соответственно на выходе цифроаналогового преобразователя 5 имеет место линейно-ступенчатый рост аналогового напряжения. Преобразователь 4 преобразует это напряжение в частоту следования импульсов.

По мере поступления импульсов с выхода генератора 8 на вход счетчика 6 на выходе преобразователя 4 имеет место линейный рост частоты сле- .дования импульсов. Соответственно из- меняется и длительность функций Уолша, генерируемых генератором 3. Последнее приводит к такому же постепен- ндму (линейному) росту частоты, с которой изменяется нелинейная нагруз- ка 1 .

Несинусоидальный ток нелинейной нагрузки 1 порождает искажение напряжения сети, описываемое выражением (5). Это напряжение через трансфор- матор 13 поступает на вход режекторного фильтра 12, которьй подавляет в напряжении сети составляющую частоты 50 Гц. На выходе фильтра 12 выделяется напряжение, описьюаемое выра- жением (6). После выпрямления мителем 11 и вьщеления постоянной составляющей фильтром 10 напряжение пропорциональное входному сопротивле икоо сети в полосе частот и - а, ..., U + а, поступает на вход управления лучом индикатора 9 по вертикали. Так как на вход управления лучом индикатора 9 по горизонтали поступает ли- нейно возрастающее напряжение с вы

хода цифроаналогового преобразовате ля 5, то отклонение луча по горизонтали пропорционально Частоте, с которой изменяется нелинейная нагрузка

с

to

520 25

ЗО .,

Дд д ,

55

После переполнения счетчика 6 опи- санньй процесс работы анализатора циклически повторяется, что обеспечивает непрерьшное изображение частотной характеристики сети на экране индикатора 9. Скорость сканирования луча индикатора 9 может быть изменена путем изменения частоты следования импульсов с выхода генератора 8. Для панорамного исследования отдельных участков частотной характеристики в схеме анализатора имеется задатчик 7 кода. С его помощью в счетчике 6 исходно фиксируется код, соответствующий требуемому моменту начала сканирования. Задатчик 7 кода обеспечивает перепись заданного кода в счетчик 6 сразу после появления очередного, импульса переполнения этого счетчика. Тем самым осуществляется циклическое изменение напряжения на выходе преобразователя 5 с заданного уровня.

Таким образом, может быть визуаль-т; но просмотрен произволый1й участок искомой частотной характеристики сети. Если нет необходимости в визуальном наблюдении частотной характеристики на экране индикатора, 9, то индикатор 9, фильтр 10, вьшрямитель 11 могут быть исключены из схемы на фиг,1. Вместо них может быть подключен вольтметр 14 эффективного (действующего) значения напряжения непосредственно к выходу фи.пьтра 12, В этом случае ,.на время измерения входного сопротивления электрической , сети в одной (требуемой) точке частотной характеристики целесообразно блокировать поступление импульсов генератора 8 на вход счетчи;5:а 6.

Предлагаемый панорамный анализатор по сравнению с известным имеет более высокую точность измерения входного сопротивления электрической сети, обусловленную тем, что искажение,, вносимое нелинейной нагрузкой, сосредоточено в узкой частотной об%W

Фиг.г

z(t)

м)а1(в)

г.I 1,1

10Щ

ФигЛ

Фиг, 5

I f f I

f If.

e

18

22

26