Цифровой измеритель мощности переменного тока Советский патент 1989 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к цифровой 25 змерительной технике и может найти применение в цифровых измерителях мощности с аналоговым перемножением сигналов.

Цель изобретения - повьш1ение точ- ЗО ности измерения.

На чертеже представлена функциональная схема цифрового измерителя мощности переменного тока.

Устройство содержит входной пре- з образователь 1 напряжения, входной преобразователь 2 тока, первый управляемый двухполюсный переключатель 3, первый 4 и второй 5 фазоинверторы, второй управляемый двухполюсный пе- 40 реключатель 6, аналоговый перемножитель 7, масштабный преобразователь 8, третий управляемый двухполюсный переключатель 9, разностный интегратор 10, генератор 11 импульсов, триг-д гер 12, блок 13 аналогового усреднения, аналого-цифровой преобразователь 14, цифровой квадратор 15.

Вход по напряжению соединен со входом входного преобразователя 1

50

напряжения, вьпсод которого подключен к первому входу первого управляемого двухполюсного переключателя 3, второй и четвертьй входы которого соединены между собой и подключены к выходу разностного интегратора 10 и ко входу блока 13 аналогового усреднения, В1ЛХОД которого соединен с информационным входом аналого-цифрово5

О

0

0

5

I

го преобразователя 14, информационные выходы которого соединены с ин- формационныкш входами цифрового квадратора 15. Вход по току соединен с третьим входом первого управляемого двухполюсного переключателя 3, первый выход которого подключен ко входу первого фазоинвертора 4 и ко второму входу второго управляемого двухполюсного переключателя 6, первый вход которого соединен с выходом первого фазоинвертора 4, третий вход - с выходом второго фазоинвертора 5, четвертый вход - со вторым выходом первого управляемого двухполюсного переключателя 3 и со входом второго фазоинвертора 5, первый и второй входы аналогового перемножителя 7 подключены соответственно к первому и второму выходам второго управляемого двухполюсного переключателя 6. Выход аналогового перемножителя 7 подключен ко входу масштабного преобразователя 8, выход которого соединен со вторым и третьим входами третьего управляемого двухполюсного переключателя 9, первый и четвертый входы которого связаны с общей шиной, а первый и второй его выходы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам разностного интегратора 10. Выход генератора II импульсов соединен с входом управления второго двухполюсного переключателя 6 и со счетным входом триггера 12,

51511702

единичный выход которого соединен со Напря:-;гаккя на первом и втором входами управления первого 3 и третье- зьгходах пгрвого управляемого двух- го 9 управляемых двухполюсных пере- ; полюсного переключателя 3 соответст- ключателей.

венно равны

Работа данного цифрового измерителя мощности переменного тока основыва- и, (t),((t)-W. ),y,-W, (™) , (5) ется на следующем.

Пусть фракция аналогового перемножителя 7 с учетом эффектов пролезания ю по входам описывается выражением

U(t)Ue,(t)W, (|)Ueb-.-W5(). (6)

Исхода из принятой функции преобразования (1) аналогового перемножителя 7 с учетом значений напряжений (7) и (8) на выходах первого 4 и второго 5 фазоинверторов

,U,(t)+ar,u,(t)+KnU, (t)U,(t),

(1)

где ао - аддитивная составляющая выходного сигнала аналогового перемножителя 7;

a,,a,j - коэффициенты, характеризующие степень линейного пролезания сигналов по первому и второму входам аналогового перемножителя 7; Kf, - коэффициент перемножения аналогового перемножителя 7, На выходе генератора 11 импульсов имеем меандр напряжения с частотой СОо и на выходе триггера 12 имеем меандр напряжения с частотой (Jc/2. На второй и четвертый входы первого двухполюсного переключателя 3 поступает выходное напряжение Ji,ut разностного интегратора 10.

где Wb(o3ct) jW (cJct) - векторы комму- тадии напряжений U(t),

w,(co,t) iisisn-sini iO ,j

Напряжения на выходах входного преобразователя 1 напряжения U, и тока 35 чМ и V(t), UgCt) соответственно, U,j( равны

и„ K,U(t);(2)

U,,K2i(t),

где U(t) и i(t) - входные напряжение и ток.

„ л, ,-

W4 2

(12)

Исходя из (1) с учетом (9) и (Ю), Вектор коммутации W, (Щ-) напряже- выходное напряжение аналогового перемножителя 7 равно

НИИ U,,(t) и Ug((t) на первом и втором

выходах первого управляемого двухпо- 45 Un (t)aci+a, Иц rn(t)(n5(t) + люсного переключателя 3 равен+KnUa, n((t)U{,); пг(п)ао+а Ди {(t)

X W3(Jct)+U4(t)W, (ct)J (t)f 1+ sign sin(- t)-l W5(cJct)+U5(t)W (o3ct)l+Kn U( (t)

(3) W3(Cct)+u(t))l ru(t)W5(tjct)+

50 +U5(t)W4 (),(13)

w, (p t)

Напря:-;гакк зьгходах пгрв полюсного пе

венно равны

U(t)Ue,(t)W, (|)Ueb-.-W5(). (6)

Исхода из принятой функции преобразования (1) аналогового перемножителя 7 с учетом значений напряжений (7) и (8) на выходах первого 4 и второго 5 фазоинверторов

, 1 и, (t) -и,(в -u,,(t)w, )- -u,,.w, ,

U5(t) -Ue(t) -Uj,(t)W, (|-)-Ugy w C- -),

(7)

(8)

определяем входные напряжения на первом (9) и втором (10) входах аналогового перемножителя 7

Ue,nXt)Uf(t)-W((Oet)+U4(t)W, (cJct),(9)

iU rt)U2(t) WaOtt)+U5(t)W4(),

(SO)

где Wb(o3ct) jW (cJct) - векторы комму- тадии напряжений U(t),

чМ и V(t), UgCt) соответственно,

w,(co,t) iisisn-sini iO ,j

и V(t), UgCt) соответственно,

„ л, ,-

W4 2

(12)

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в цифровых измерителях мощности с аналоговым перемножением сигналов. Цель изобретения - повышение точности измерения мощности, достигается переодическим включением на входы аналогового перемножителя 7 прямых и инвертированных сигналов, пропорциональных току в нагрузке и напряжению в питающей сети. На входы блока также коммутируется сигнал с выхода разностного интегратора 10, на каждый из двух входов которого подается напряжение с масштабного преобразователя 8. В установившемся режиме на выходе блока установится напряжение, пропорциональное корню квадратному активной мощности, рассеиваемой в нагрузке. Это напряжение, отфильтрованное в блоке 13 аналогового усреднения и преобразованное в цифровую форму АЦП 14, возводится в квадрат цифровым квадратором 15. Напряжение на выходе цифрового квадратора 15 пропорционально активной мощности потребляемой нагрузкой. На чертеже также показаны входные преобразователи - 1 и 2 соответственно напряжения и тока. Работой двухполюсных управляемых переключателей 3, 6, 9 осуществляющих коммутацию напряжений, управляют генератор 11 импульсов и триггер 12. В данном устройстве скомпенсированы погрешности, обусловленные наличием в сигнале аналогового перемножителя аддитивной составляющей, напряжения, пропорционального сигналам на каждом из его входов, нестабильности коэффициента передачи. Это позволяет повысить точность измерения мощности устройствами на базе аналоговых перемножителей с неидеальной функцией преобразования, а также исключить трудоемкую операцию настройки параметров аналогового перемножителя. 1 ил.

-We

Вектор коммутации We(г- t) напряжеВ дальнейшем учтем,.что ,.т .

НИИ на первом и втором выходах первого управляемого двухполюсного переключателя 3 определяется из выражения 35 vj|(t)W5(t), W, (t)+W,(t) l ;

W:()W, (pt), Wb().W,()0; 2,2 t)W(t), W,(),(|

2

rP. 2

1-sign sin(f2f t) . W,( t:) --.-2 .

В дальнейшем учтем,.что ,.т .

35 vj|(t)W5(t), W, (t)+W,(t) l ;

W:()W, (pt), Wb().W,()0; 2,2 t)W(t), W,(),(|

W.().W5(4)0

2

rP. 2

. 2

Ti J.IT

7 15117028

W|()-W5(ct); 14)U«.T,,.H ao+sign sinCcj t) a, .Un(t) +

W(cOct)-W ((Dct) iaaU,,(t) W, )+KnU,,(t)U,,(t).

Соотношение (13) можно представить,т о

в виде; ,(f«:)K. (22)

Un(t)()-W,(a%t) fa,U, (t)-bВыходное напряжение разностного ин«a,U(t)l+KnU, (t)(t)LW3(cJct)+тегратора 10 равно

)l. 05) ,Q,

,..ч /,,ч , (,)dt ; (и„нт„г-ия«т....)dtУчитывая (11) и (12), определяем .с ; ., .

W(Oct)-W4(Jct)-sign sin(«ct), (16) Цао+sign sinCcJct) ta4U(4(t) +

W3()+W,((X:tt)-l. (17) ,,U,,(t)- W,()+Kn.U,,(t)U,,(t).

Отсюда, подставляя (1б)и(17)в

(15), получаем )-ao-si n sin(Oct) ()

Un(t)«ao-t-sign stn(tJct)|;a,-U(t)+,3 -| о oj.l

+a4Ua(t)I+KnU, (t)U(t). (18) ,W,(5-t;j-KnUey,-W(2-t) dt

Учитывая значения (5) и (6) опреде-К8 Г г , ч , ч ел- ляем |-Mк,u,4(t).)W,(ft)- U,(t).(t)CUм(t)W, ()+UBb,-UewWHfst) 1 sign sin(a3ct)

25

«W(t).K,(t).W,()+UwWa(),-U,,(t)+a,U,,(t)l.W,()-(ai-H

u,c(t)-Ue,(t)-W()+UH(t)Ue«.W,(,)U,,,,.W(ft)dt.

xW5()+U8biiJ(t(t).W/j( t) W, (t)+ 30Разложим сигнум-функцию

sign sin() в ряд Фурье

uLt-W(),,(t)-U,,(t) W, (-4) 1

sign sin(tJct) я- 2.у sin K-Oct.(2A) .

uL,W,(ft). (19).

При несинусоидапьном напряжении

Учитывая (19), перепишем (18) в виде:u(t) и токе i(t), которые протекают

в нагрузке, имеем

Un(t)ac,+ sign sin(cOct) а ,U,.(t) «u(t).sin(iot+4,),

,.W,()+a,Ub«,).zXt)W,(f-St)+40 , (25)

-a,uJ,,W,(ft)l.u.(t)MMt).W.(ft).i(t) rii.sin(jc.t.vfp.

i fi5 тТогда

UeM, Wa(2 t)J Kn ao+sign sin(0ct)„

rr 1 (t)KlIIUimSin(icOt+4 i),

(a,U,,(t)+a5U,i,(t)) (20) Vlo

,,(26)

W,(f-t) + (a,+a5)Ub«rW2(),,(t)KU2,(t)Kj/ (J6)tH-4 j) .

« UBM« Wi(t)+uLi, W, ().где Ujm , Ijm тудные значения

гармонических составляНа инвертируклдий вход разностного шг-ющих напряжения и тока;

тегратора 10 поступает напряжениеО ; 0 - Фаза колебаний напряжения

и тока соответствующей

U««T..« ao+sign sin(cOct)-()Ubb,t 55гармоники.

. W,(f t)+KnUL,-W()Kg, Определяем значение интеграла

и на инвертируюпшй вход: - Г UH(t)U,,(t)W, (f t)dt,

с учетом значений sign sin((Jct), С учетом значенкй

U,,(t) и Uj,(t). Для этого предвари- .. I Г 4 i K Q 1

тельно определяем произведение Wj(t)« 9 I Х JJ j S с ( О

,(t).U,,(t)K,-K2i:U,sin(iQt+4 ;).jr д- , , к-СО.Л

.( 7 21 Е

,sin(j(Ot.)K;K,| (ia)t.определяем

-1 -, V бЭ

;) Z:ijmSin(JWt-fVj)|+K,K22:U; sin Z, -Y U,,,(t)Uj,(t)W, (j-t)o 9-Jt

4iUtV.). ,,KjP+K,K,

к

,-, 15 + Т sin ,(31)

7 -:; П .rv rv

z:

t 0)

,mSin(jwt+V:)K, К„

. %lTr чВыбрав частоту - вектора комму,|cos(cf;-Cfp-cos 2tOt;+Cf;-QjjU+(27) ,-,2

L Jтацик W () таким образом, чтобы

г

i г Sl. m ) I- sin(jtot+ 20 она была вьппе частоты ZtO; колебаний

+Q;).(28) интегралы

Первая составляющая суммы в (27) рав-Кд в Г Г и Р +К К pTw (t)

на25 J L -1 2

при t немного большем периода самой

V V U;rT.Ij.m „-,„/., ,., -v V РНИЗКОЙ из частот iu, JCO, (i--j)W,

К.,л« 7;;;- cos (.({ -(р. -К. К-/ г- ,. ., /TIN

2 J 4 I (i+j)co. Поэтому выражение (31) упроп Jщается

Р Р- - значение мощности в иссле- 30v v v v ( т

. дуемой нагрузке;Z,- .iSl at (32)

и I о j

p. (tf ) - активная пропорционально значению нзмеря

ность в исследуемой нагруз-емой мощности

ке для i-й гармоники. 35

Переменная составляющаяВторая составляющая в (23) в установившемся режиме, когда Ug | const,

K,K,j21-- |i- 2i cosr2Qit+(tf;-(-)

° 7 Бп-Кб / .j IT

представляет собой колебания удвоен- 40 2 ) .2 t;at j tg,

ной частоты для i-x гармоник и будет

к 2

г

отфильтрована в разностном интеграторе 10 при соответствующем выборе частотно ,

Вторая составляющая45 так как при t намного большем периода

оо

,. I z: i() з

At--

at- -X - ,, dC,

с с.

f л

к,- К, U,(iut+(-) 21 „si O самой низкой из частот-г-- составля+ )к |К. (28)«

. 2 г оо-1

представляет собой произведение раз- -f--I - у sin() ,

ноименных гармоник напряжения u(t) J L кнл.5 J

и тока i(t).

Такое произведение не дает посто-поскольку интегрируется сумма гармоянной составляющей напряжения нических составляющих напряжения.

sin(i(0t+qi;)-sin(j(0t+(fij) sin(i- -g (23)

-j)COtMCf;-Vp sin()Qt(Cf;-(j). ,ig sin(0,::) U,,(t)a,U,,(t).

к 2

г

оо

I z: i() з

At--

at- -X - ,, dC,

с с.

11

.n,,(ft)-(a,)U J4jft)

при выборе cOj, большем удвоенной веней частоты гармонических колебани u(t) и i(t).Такнм образом, если частота сОд вектора коммутации не совпадает с удвоенной частотой колебаний самой высокой из частот в u(t) и i(t), т выражение (23) принимает вид

и,

. .,

К„К,К,Кв j р,,

ч

бык

,.dt

г

КаК,, f г j выx

Отсюда

2

8ых «

йУмх.

dt

В установившемся режиме

dUsbij .. К.КгКпКв Кп

Отсюда выходное напряжение ного интегратора 10

.,К2Р,

(34)

пропорционально корню квaдpaтнo ry из значения измеряемой мощности и не зависит от значений коэффициентов agj а. К,, функции преобразования аналогового перемножителя 7 и коэффициента передачи Kg масштабного преобразователя 8. Напряжение интегратора 10 преобразуется в цифровую форку аналого-цифровым преобразователем 14 и возводится в квадрат цифровым квадратором 15, на выходе которого будет получено напряжение, пропорциональное измеряемой актив- ной мощности нагрузки:

К,5.К,,К,5.- коэффициенты передачи блока аналогового ус- редн ения, анало го-циф- рового преобразовате- JQ ля, цифрового квадратора

Таким образом, независимость результата измерения (34) мощности от значений аддитивной составляющей а, коэффициентов а и а, характеризующих линейное пролезание по первому к второму входам и коэффициента пере

1702 2

шoжeния К аналогового церемножите- ля 7, открывает возможность значительного повышения точности измерения

с- МОЩНОСТИ на базе аналоговых перемножителей с неидеальными функциями преобразования. Одновременно отпадает трудоемкая операция настройки параметров аналогового перемножителя.

10

Формула изобретения

0

5

0

5

0

5

Q

5

ТДифровой измеритель мощности переменного тока, содержащий входной преобразователь напряжения, входной преобразователь тока, первый фазоинвер- Topj аналоговый перемножитель, интегратор, блок аналогового усреднения, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом цифрового квадратора, выход интегратора подключен к входу блока аналогового усреднения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены три управляемых двухполюсных переключателя, второй фазоинвертор, масштабный преобразователь, генератор импульсов, триггер, а интегратор выполнен разностным, причем выход входного преобразователя напряжения соединен с первым входом первого управляемого двухполкюного переключателя, второй и четвертый входы которого объединены и подключены к выходу разностного интегратора, выход входного преобразователя тока подключен.к третьему входу первого управляемого-двухполюсного переключателя, первый выход которого соединен через первый фазоинвертор с первым входом второго управляемого двухполюсного переключателя и непосредственно с вторым входом указанного переключателя, третий вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, вход которого подключен к второму выходу первого; управляемого двухполюсного переключателя и четвертому входу второго управляемого двухполюсного переключателя, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым вхо- аналогового перемножителя соответственно, выход которого через-масштабный преобразователь соединен с вторым и третьим входами третьего управляемого двухполюсного переклю13 1511702

чателя, первый и четвертый входыпульсов соединен с входом управлання

которого соединены с общей шинойjвторого упр-авляекюго двяспспкс. ого

а первый и второй его выходы подклю-переключателя и счетным входом трмгчены соответственно к инвертирующемуе гера, единичный выход которого подклюи неинвертирующему входам разностно-чей к входам отправления первого и

го интегратора, выход генератора им-третьего двухполюсных переключателей.