Устройство для измерения частотной характеристики входного сопротивления промышленной электрической сети Советский патент 1988 года по МПК G01R27/02 

143

но с второй и первой группами выходов второго пост оянного запоминающего уст ройства, выходы перемножающих цифро- аналоговых преобразователей соединены с первым и вторым входами сумматора, к выходу которого подключен формиро

ватель импульсон, выход которого является выходом блока вьщеления боковой частоты, а входы двшпных счетчиков являются входами блока выделения боковой частоты.

1

Изобретение относится к импульсной

технике и может быть использовано датя измерения и исследования частотных характеристик входного сопротивления электроэнергетических систем и систем электроснабжения промьпаленных предприятий.

Цель изобретения - повьшение точности измерения частотных характеристик входного сопротивления промышленных электрических сетей.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг, 2 - функциональная схема блока вьщеления боковой частоты; на фиг. 3 - временная диаграмма генерации функций Уолша на фиг. 4 - функциональная схема синхронного фи.пьтра, на фиг. 5 - функ- озональная схема нелинейной нагрузки.

Устройство содержит (фиг, 1) управ яяемую нелинейную нагрузку 1, блок 2 управления , управляемый генератор 3 1- Мпульсов, первьш 4 и второй 5 делители частоты, блок 6 выделения боко- Еюй частоты, синхронный фильтр 7, фильтр 8 основной частоты сети, умножитель 9 частоты, трансформатор 10 напряжения, частотомер 11, третий делитель 12 частоты и вольтметр 13. Клок 2 управления нелинейной нагруз- ;ой включает в себя постоянное запоминающее устройство 14 и счетчик 15 импульсов.

Нелинейная нагрузка 1 однт1м зажИ- мом подключена к исследуемой точке сети, второй ее зажим соединен с нейтралью сети, а управляющие входы нелинейной нагрузки 1 соединены с выходами постоянного запомина1сще1 о устройства 14 блока 2 упрявления.

Адресные входы постоянного запо- 1.1инающего устройства 14 соедипелш с выходами счетчикя 13, вход которого

10

15

5

5

0

5

0

является входом блока 2 управления. Выход управляемого генератора 3 импульсов соединен с входами первого 4 и второго 5 делителей частоты, выходы которых соответственно соединены с входом блока 2 управления и первым входом блока 6 выделения боковой частоты. Первичная обмотка измерительного трансформатора 10 напряжения подключается к зажимам нелинейной нагрузки 1, вторичная обмотка соединена с первым входом синхронного фильтра 7 и через фильтр 8 основной частоты сети и умножитель 9 частоты с вторым входом блока 6 вьщеления боковой частоты, выход которого соединен с вторым входом синхронного фильтра 7, являющимся управляющим входом фильтра. Выход блока 6 выделения боковой частоты также через третий делитель 2 частоты соединен с частотомером 11, а к выходу синхронного фильтра 7 подключен вольтметр 13.

Блок 6 выделения боковой частоты {фиг. 2) содержит двоичный счетчик 16, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 17, цифроаналоговые преобразователи 18 и 19, двоичный счетчик 20, постоянное запоминающее устройство 21, первый 22 и второй 23 перемножающие цнфроаналого- вые преобразователи, сумматор 24 и формирователь 25 импульсов, тактовые входы двоичнрз1х счетч гков 16 и 20 соответственно соединены с первым и вторым входямн блокя 6.

Выходы каждого из дв(1гчных счетчиков 16 и 20 соединены г:о(гтветст- венно с адресными рхпдп - и постоянных запоминающих ус тргч и .т 17 и 21. Каждое из постояньгых ч;м11 Г ит1яюп1их устройств содержит n.f группы выходов, причем nRpfJ. и riiyiniM

выходов iiepBOfo гикугоянипгч и ч/ию- минающего устройства 1 7 соеди)1еиы соответственно с цифровыми входлмн цифроаналог овых преобразователей 18 и 19. Цифровые входь перемножающих цифроаналоговых преобразователей 22 и 23 соединены соответственно с второй и первой группой выходов BTCI- рого постоянного запоминающего уст- ройства 21. Выходы цифроаналоговых преобразователей 18 и 19 соединены соответственно с входами опорного напряжения перемножающих цифроанало- говьк преобразователей 22 и 23, выхо ды которых соединены с входами сумматора 24. К выходу сумматора подключен формирователь 25, выход которого является вьгходом блока вьщеле- ния боковой частоты.

Синхронный фильтр 7 (фиг. 4) содержит счетчик 26, дешифратор 27, резистор 28 с сопротивлением R и параллельные цепочки, содержащие последовательно включенные конденсатор 29 с емкостью С и ключ 30, причем общая точка соединения конденсаторов является одновременно выходом синхронного фильтра и через резистор 28 соединена с первым входом синхронного фильтра. Общая точка соединения ключей 30 связана с общей точкой схемы, а входы управления ключей соединены с выходами дешифратора 27, входы которого подключены к выходам счетчика 26, вход которого является вторым входом синхронного фильтра.

Нелинейная нагрузка 1 выполнена (фиг. 5) в виде нескольких параллельно соединенных цепочек, каждая из которых содержит последовательно соединенные ключ 31 и весовой резистор 32 причем первым зажимом управляемой нелинейной нагрузки является общая точка соединения весовых резисторов.

Устройство работает следующим образом.

После включения питания управляемый генератор 3 импульсов генерирует прямоугольные импульсы, которые поступают на вход первого делителя 4 частоты, С выхода первого делителя 4 частоты импульсы поступают на вход блока 2 управления, который управ- ляет проводимостью нелинейной нагрузки 1 по закону

g(t) l+Kcos2 7 it)

При услипцп, ЧТО няпрлженне в ис- следуе мсй течке сети сииугоиляльнп

Иг - l.r.)t,

тпк, протекакшнй по нели(сйной нагруч- ке, HNjepT спг.тапляющую с чпстотой сети Ш ., ;. П. я1п21Г(Л

и дре составлянпцие боковых частот (У + (Д и сХ. - (О , возникающие вследствие перемножения двух синусоидальных функций с частотам с п oD

- ГГ, . п ЧГ / /«- .

1 + ,л ,1п2л (ос ±tJ)t

k 1 I rv j.j rr, - fi .

-4tU3

Токи боковых частот ioi(j и iot.( протекая по элементам сети, вызьгаают падение напряжения на эквивалентных входных сопротивлениях сети 2,о(( и в(-и на соответствующих частотах, т.е. iot + tj 2io(4.(j ,

UflS-tO - Q(-bJ « -cJТаким образом, в исследуемой точке сети посредством нелинейной нагрузки 1 генерируется измерительный

сигнал, содержащий две составляющие с частотами с/ + оЭ и cit - Ct) , амплитуда каждой из которых пропорциональна модулю соответствующего входного сопротивления сети.

Сигнал в исследуемой точке сети ерез измерительньпЧ трансформатор 10 напряжения поступает на первый вход синхронного фильтра 7. На выходе синхронного фильтра выдяляется состав-

ляющая напряжения одной боковой частоты, величина которой измеряется вольтметром 13.

Автоматическая настройка синхронного фильтра 7 на сигнал одной боковой частоты осуществляется совместной работой блоков 5, 6, 8 и 9. Блок 6 выделения боковой частоты генерирует на своем выходе последовательность импульсов с частотой, кратной частоте одной из боковых частот измерительного сигнала. Положим для определенности, что сигнал на его выходе имеет частоту, кратную нижней боковой частоте, а именно о что не влияет на ход рассуждений и конечный результат. Для получения сигнала такой частоты на входы блока 6 вьщеления боковой частоты должны быть поданы сигналы с частотами,

51А395

кратными частоте управления нелинейной нагрузкой о( и частоте сети (jO.

С выхода умножителя 9 частоты на первый вход блока 6 выделения боковой частоты поступают импульсы с частотой, кратной частоте сетийЗ, поскольку на входе умножителя 9 частоты присутствует сигнал основной частоты сети (50 Гц). Сигнал полу- Q из исходного сигнала в исследуемой точке сети посредством фильтрации фильтром 8 основной частоты сети.

На другой вход блока 6 выделения боковой частоты поступает сигнал, is синхронный с сигналом управления Н1глинейной нагрузкой 1 , поскольку оба сигнала получены от одного управляемого генератора 3 импульсов. Указанные сигналы имеют кратное от- 20 ношение ча-стот, т.е. частота сигнала на выходе второго делителя 5 частоты кратна частоте управления нелинейной нагрузкой.

Таким образом, вьщеление и измере- 25 ,ние составляющей напряжения нижней боковой частоты cJ. - jO осутцествляется автоматической настройкой синхронного фильтра 7, на вход управления которого 1,на его второй вход) всегда ЗО подается сигнал с частотой, кратной разности частот iD Именно нали- чие на втором входе синхронного фильтра 7 сигнала с частотой, крат- ной разностной Частоте иС - о, обес- g печивает в процессе измерений точную настройку синхронного фильтра 7 на измерительньй сигнал U.j, генериру- емый нелинейной нагрузкой в сеть. Одновременно с измерением составляю- 40

шей. напряжения нижней.боковой час- тоты Ucst-oJ посредством вольтметра 13, частотомер 1 измеряет и индицирует текущее значение боковой частоты Ci -СО, на которой в данный момент из- 45 меряется составляющая с.- Ее вели- ч:ина, как уже указьшалось, пропорциональна .модулю искомого входного сопротивления сети на этой же частоте, а именно ,50

Третий делитель 12 частоты обеспечивает на своем выходе именно текущее значение частоты измерений ot - (О путем деления частоты, ей кратной, присутствующей на выходе блока 6 вы- 55 деления боковой частоты.

Из описания работы устройства видно, что, изменяя частоту управляемого генератора импульсов 3, можно из126

мерить входное сопротивление исследуемой сети в любой точке на оси частот. Очевидно также, что путем непрерывного измерения сопротивления может быть измерена (построена) искомая частотная характеристика входного сопротивления сети.

Функционирование некоторых блоков устройства, а также соотношения частот сигналов при проведении измерений поясняется следующим.

Как уже отмечалось, блок 2 управления (фиг. ) обеспечивает измерение проводимости нелинейной нагрузки во времени по закону

g(t) - а(иксоз2 йо(г) (1)

Данный закон изменения проводимости, как и в известном устройстве реализуется путем аппроксимации функциями Уолща. Для удовлетворительной аппроксимации достаточно использовать 4-8 функций Уолша. Генерация функций Уол- ша обеспечивается путем циклического считывания значений этик функций из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 14, куда они предварительно за- письгеаются. Пример записи информации в ПЗУ 14 для генерации первой, пятой и седьмой функций Уолша (Wal 1, Wai 5 Wai 7 ) приведен в таблице.

По мере поступления тактовых импульсов на вход счетчика 15 происходит последовательное считьгеание информации из ячеек памяти ПЗУ 14. При этом на его выходах (разрядах) генерируются функции Уолша з соответствии с записанной в нем информацией (фиг. 3) Из таблицы и фиг. 3 следует, что количество разрядов ПЗУ 14 должно определяться числом функций Уолща, необходимых для аппроксимации закона изменения проводимости нелинейной нагрузки, а число информационных слов, подлежащих записи в ПЗУ - наибольшим номером используемых функций Уолша. При последовательной адресации ПЗУ 14 посредством счетчика 15 генерируемые на выходах ПЗУ 14 функции Уолша управляют состоянием соответствующих ключей нелинейной нагрузки 1, В цепи последних включены весовые резисторы с сопротивлениями, обратно пропорциональными по вр.лт1чине амплитудам соответствующих функций Уолта в спектре разложения функпин (1} в ряд Фурь по функциям У( .

71Д

Блок 6 вьщеления боковой частотм осуществляет оперпцию суммнр.овлния (вычитания) частот посредством схемной реализации тригонометрического тождества

. sinott-costirt ± cos(/t sinuft

sin(o( ± cj)t.

(2)

Согласно принятому соглашению блок 6 вьзделения боковой частоты генери- рует на своем выходе сигнал с частотой, кратной разности частоты управления нелинейной нагрузки о и частоты сетиоЭ. Генерация .сигнала разностной частоты осуществляется следующим образом.

Гармонические функции левой части тождества генеририруются посредством считывания значений этих функций в двоичном коде из ПЗУ 17 и 21, и преобразование их в аналоговый сигнал с помощью перемножающего цифроаналогового преобразователя 22 и 23, подобно тому, как это осуществляется в блоке 2 управления нелинейной нагрузкой для генерации функций Уолша. Таким образом, для того, чтобы получить на выходе блок 6 вьделения боковой частоты сигнал с частотой ОС. -, на его входы должны быть поданы импульсные сигналы с частотами, в определенное число раз больше частот оС и оЗ. Если гармонические сигналы, генерируемые указанным образом, задаются некоторым Kf - числом дискретных выборок, то соответственно на входы блока выделения боковой частоты должны быть поданы сигналы с частотами и

Из соображений технологичности эменты блока вьщеления боковой часто могут быть вьшолнены однотипными, т.е. однотипны между собой двоичные счетчики 16 и 20, ПЗУ 17 и 21, цифроаналоговые преобразователи 18 и 19, перемножающие цифроаналоговые преобразователи 22 и 23. Преобразователь 18(19) осуществляет преобразование цифрового кода, поступающего на его входы, в соответствующий ему по величине и знаку аналоговый сигнал на его выходе. Перемножащий цифроаналоговый преобразователь 22(23) осуществляет перемножение аналогового сигнала, поданного на его вход опорного напряжения, и неi2а

которого коэМ Ш1ента, изменяющегося в пределах от - 1 до и соот- ветствуютего коду цифрового слова, поданного на цифровые входы пере- множпющего цифроаналогового преобразователя .

Таким образом, реализация тождест-, ва (2) осуществляется следующим об- разом. На входы двоичных счетчиков i6 и 20 подаются прямоугольные импульсы соответственно с частотами Рч(У и . Счетчик 16 с коэффиш - ентом пересчета, равным К,, обеспе- чивает циклическое считывание выборок синусоидальных и косинусоидйль- ньгх функций г.з ПЗУ таким образом, чтобы, например, на цифровые входы преобразователя 18 поступали коды sin-функции, и соответственно на входы преобразователя 19 - ссз-функции. На выходах преобразователей 18 и 19 генерируются соответственно синусоидальный и косикусоидальный сигналы с произвольной амплитудой Uon и частотой с . Аналогично работают двоичный счетчик 20, ПЗУ 21, преобразователи 22 и 23 с той лишь разницей, что преобразователи 22 и 23 управляются соответственно кодами cos- и sin-функций. В итоге на выходе преобразователя 22 генерируется сигнал Uj, sin27rc(t « ))t, а на выходе преобразова- тели 23 - UDnCos2 ftoft cos2{L t. После вычитания указанных сигналов сумматором 24 на его выходе присутствует синусоидальный сигнал разностной частоты Uonsin2 (o -cj)t. Из полученного синусоидального сигнала по- средством формирователя 25 импульсов формируется периодическая последовательность импульсов, поступающая на управляющий вход синхронного фильтра 7. Формирователь 25 импульсов мо- жет быть выполнен, например, по схеме компаратора напряжения с нулевым порогом срабатьшания. Предложенная реализация блока вьделения боковой частоты обеспечивает периодичность выходного сигнала блока, необходимую для обеспечения правильной рабе- - ты синхронного фильтра 7.

Синхронный фильтр 7 может быть i реализован по схеме, представленной на фиг. 4. Управление частотой настройки синхронного фильтра 7 осуществляется подачей на его второй вход импульсного сигнала соответствующей

9

частоты. И-Мпульсы на входе счетчика 26 приводят к изме нению его вЬгкодно- го кода, в соответствии с которым замыкается соответствующий ключ 30. Выбор соответствующего ключа и его замыкание осуществляется деп ифрато- ром 27. Таким образом, при поступлении импульсов На управляющий (второй) вход синхронного фильтра происходит периодическое замыкание ключей 30 с частотой FC. 1 в,к /п, где Ff, - частота сигнала на входе управ Л6ШИЯ, п - Число элементарных интегр торов RC . Частота FC определяет гас тоту настройки фильтра, т.е. при наличии на первом фильтре сигнала, в спектре которого имеется составляющая с частотой Fe,, эта составляющая

будет отфильтрована на выходе фильтра о имя частоты управления нелинейной

в виде п-ступенчатой синусоиды

Умножитель 9 частоты может быть вьйлолнен по схеме фазовой автопод-- стройки частоты с де,пителем частоты в обратной связи.

Фильтр 8 основной частоты сети обеспечивает фильтрацию сигнала с частотой сети 02 и способствует стабильной работе умножителя частоты при наличии в исследуемой точке сети значительных искажений кривой напряжения 5 например, вследствие подключения в исследуемой сети мощньк нелинейных потребителей электроэнергии.

Для обеспечения синхронной работы всего устройства в целом необходимо следующее соотношение частот сигналов , Нелинейная нагрузка 1 изменяет свою проводимость с частотой &. и генерирует в сеть сигнал частотами оС + йЭ и «э -f-0. Согласно предложенной схеме синхронного фильтра 7 РД1Я фильтрации сигнала с частотой &( -СЗ на управляющий (второй) вход флпьтра должен быть подан импульс- сигнал с частотой п (Ы -(д35,где

Wai 1

Wai 5 Wai 7

512

И)

п - числг элементарных интеграторов . Положим для определенности,что двоичные счетчики блока вьщеления боковой частоты 16 и 20 (фиг. 2) имеют одинаковые коэффициенты пересчета К (К также равно числу интервалов атпфоксимации sin- и cos-функций ПЗУ 17 и 21). Следовательно, для. получения на выходе блока вьщеления боковой частоты сигнала с частотой п(о -ОЭ) на его входы должны быть поданы сигналы с частотами k Отсюда ясно, что умножитель частоты должен иметь коэффициент умножения частоты, равньга .

При коэффициенте пересчета счетчика 15 блока 2 управления нелинейной нагрузкой, равном Kj,, для обеспече

нагрузкой ь( на вход блока- 2. управления до-лжен быть подан сигнал с частотой KjX. Коэффициент деления делителей А и 5 частоты должен быть по- добран таким образом, чтобы удовлетворялось равенство

КЭ Ко о( К05 К . п fp ,

где К a-f и

К gj - соответственно коэффициент деления первого 4 и второго 5 делителей частоты ,

ff- - частота сигнала управляемого генератора 3 импуль- .сов.

Следует отметить, что выбор коэффициентов деления делителей 4,5 и 12 частоты, коэффициента умножения ум- ножителя 9 частоты и частотного диапазона работы управляемого генератора 3 импульсов является постоянным для всего устройства. Он зависит только от конкретного исполнения синхрон- ного фильтра 7, блока 6 вьщеления боковой частоты i-t блока 2 управления нелинейной нагрузкой.

О п

О О

о

С8ть

Фие.З

i

Т

3Z 32 М

3/

fe/e.5

Фи&

Csj

.г §