Цифровой измеритель мощности переменного тока Советский патент 1990 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к цифровой измерительной технике и может найти применение в цифровых измерителях активной и реактивной мощности с ана- лотовым перемножением сигналов.

Цель изобретения - повышение точности измерения активной и реактивной мощности в цепях с несимметричной формой колебаний тока относительно вре- )Q мени.

На чертеже представлена функщю- нальная схема предлагаемого цифрового измерителя мощности переменного тока о Устройство содержит источник 115

опорных напряжений, переключатель 2, входной преобразователь 3 напряжения, первьм сумматор 4, первый фазовращатель 5, входной преобразователь 6 тока, второй сумматор 7, второй20

фазовращатель 8, двухполюсный пере- ключатель 9, аналоговый перемножи- тель 10, интегратор 11, первый 12, второй 13 блоки выборки-хранения, дифференциальный усилитель 14, ана- 25 лого-цифровой преобразователь 15, генератор 16 импульсов, счетчик 17, дешифратор 18.

Вход по напряжению соединен с.вхо- дом входного преобразователя 3 напря- зо жения, выход которого подключен к суммирующему входу первого сумматора 4, вычитающий вход которого соеди- нен с выходом переключателя 2, первый и второй входы которого соеди- 5 нены с соответствующими выходами ис- точника 1 опорных напряжений Вход по току подключен к входу входного преобразователя 6 тока, выход которого связан с первым суммирующим вхо- до дом второго сумматора , второй сум- МИРУЮ1ЩЙ вход которого соединен с выходом интегратора 11 и с информационными входами первого 12 и второго 13 блоков выборки-хранения, входы45

управления которых соответственно подключены к первому и второму выходам дешифратора 18, третий выход которого соединен с входом управления переключателя 2. Выход генера- тора 16 импульсов соединен со счетным входом счетчика 17, информационные выходы которого подключены к информационным, входам дешифратора 18. Выход первого блока 12 выборки- хранения соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя 14, инвертирующий вход которого подключен к вьпсоду второго блока 13

выборки-хранения, а выход дифференциального усилителя 14 Соединен со входом аналого-цифрового преобразователя 15.

Вьпсод первого сумматора 4 подключен к первому входу двухполюсного переключателя 9 и к входу первого фазовращателя 5, выход которого соединен с вторьм входом двухполюсного переключателя 9, третий вход которого связан с выходом второго сумматора 7 и с входом второго фазовращателя 8, выход которого подключен к четвертому входу двухполюсного переключателя 9, выходы которого связаны с соответствуюпими входами аналогового перемножителя 10, выход которого соединен с входом интегратора 11.0

При измерении активной мощности по сигналу оператора двухполюсный переключатель 9 переводится в верхнее положение I. Напряжение U(t) и ток i(t) преобразуются в преобразователях напряжения 3 и тока 6 с коэ(1кЬициента- ми преобразования К и V., соответственно. На их выходе получают

и, (t) K;U(t); U,,/t) K-i(t).

(1)

По сигналу с выхода генератора 16 импульсов счетчик 17, состоящий из двух триггеров, изменяет свое состояние На время первых двух импульсов по сигналу с третьего выхода депиф- ратора 18 переключатель 2 находится в верхнем положении, а на время третьего и четвертого импульса перекпю- чатель 2 находится в нижнем положении. В верхнем положении переключателя 2 напряжение U с выхода источника 1 опорных напряжений подается на вычитающий вход первого сумматора 4 „ При переводе переключателя 2 в нижнее положение на вычитаюЕ1ИЙ вход первого сумматора 4 подается напряжение Uo2 с выхода источника 1 опорных напряжений. На время длительности второго периода сигнал разрешения на запись поступает с первого выхода дешифратора 18 на вход управления первого блока 12 выборки-хранения., На время четвертого периода сигнал с второго выхода дешифратора 18 поступает на вход управления второго блока 13 выборки-хранения.

Напряжение на выходе первого 4 и второго 7 сумматоров при нахожде5I(S 13966

НИИ переключателя 2 в BOpxjroM положении равны

U,(t) K;U(t) - U, ; U,j(t) К -Kt) - Z,

(2)

где Z. - напряжение на выходе интегратора 11 в установившемся режиме о Напряжения U,(t) и UjiCt) через

двухполюсный переключатель 9 поступают на соответствующие входы аналогового перемножителя 10, и на его выходе напряжение в установившемся

режиме равно нулю

с

,Un(t) KpU, (t) UjjCt) ,U(t) -Uo,{K2i.(t) + Z, l.(t) i(t) + ,Z,U(t) - ) - ,;Z,

0.

где Kp - коэффициент передачи аналогового перемножнтеля,

При этом напряжение на выходе интегратора 11 равно Z.O

До момента равновесия напряжение Up(t) интегрируется в интеграторе 11 который имеет постоянную времени J . За время интегрирования t напряжение на выходе интегратора 11 становится

равным

t

инг ||Un(t) dt

%

(t) i(t) dt. °t

.K,K,z,j%( ,,i(t)dtKnUo, t ,

J Z,dt.

0

Постоянная времени интегратора 11 выбирается такой величины, чтобы она была намного больше периода исследуемых колебаний напряжения U(t) и тока i(t) . Для з прощения изложения материала приняты коэффициенты передачи первого 4 и второго 7 сумматоров равными единице. Поскольку по условию задачи напряжение U(t) имеет симметричную форму относительно оси времени, то составляющая интеграла t

U(t) dt О в установившемС

1

,,КпКг

ся режиме Составляющую

t

М И

0(

i(t) dt обозначают через Z

Поскольку напряжение на выходе аналогового пере миожитепя 10 становится равным нулю, то напряжение Z на выходе интегратора 11 перестает изменяться j Вводят следуюи(ие обозначеш1я:

Кр ,К2

U(t).i(t) Р - усредненное значение произведения U(t) i(t), пpoпopl J o- нальное активной мощности Р.

i(t) - усредненное значение тока i(t). При несимметрии колебаний тока i(t) относительно оси времени выражение i(t) Z не равно нулюс Учитывая то, что выражение U(t) усредня - ется в процессе интегрирования в интеграторе 11 и равно нулю в установившемся режиме, имеют

КрР - , - , Z, О Так как К ,К, то

1

Ll к Z UQI

(А)

Составляющая К Z численно равна Q погрешности измерения активной мощности из-за несимметрии колебаний тока i(t) относительно оси времени (имп шьсный режим нагрузки). Напряжение (4) за время длительности второго периода следования импульсов генератора 16 записывается в первый блок 12 выборки-хранения.

После окончания второго периода переключатель 2 по сигналу с третье

го выхода дешифратора 18 переводится в нижнее положение. На вычитаюп1ий вход сумматора 4 подается напряжение U(j2 с выхода источника опорных напряжений.

По аналогии с вьште описанной рабо- той в установившемся режиме напряжение на выходе аналогового перемнож11тёля 10 равно

Un4(t) ,U(t) - (t) +

+ Z К„К.,К,и (t) i(t) - ,,(t) - + ,z,Uu) ,р

55 - KnK2Uo2 i(t) - К„иог 2 0

так как U(t) 0,

Отсюда определяют значение напряжения на выходе интегратора 11

7 Кг.К,Р

и

ог

.

(5)

время длительности четвертого

периода Напряжение Zg по сигналу с второго выхода дешифратора 18 записывается во второй блок 13 выборки- хранения. На выходе дифференциального усилителя 14 получают напряжение

и ( z.) к

где К К«К, К.;Р

Г-1 л

UozJ

(6)

коэффициент усиления дифференциального усилителя 14,

Выбором К К-К Г-i- - 10,

JoгJ где m О, 1, 2,..о выражение (6)

пропорционально значению измеряемой активной мощности Р. На выходе аналого-цифрового преобразователя 15 имеют код числа

N

АЦп

Г-1- - -IJ.,

LUO,

-(7)

не зависящий от несимметрии холебаний тока i(t) относительно оси времени, что приводит к повышению точности измерения активной мощности в цепях с несимметрией колебаний тока относительно оси времени о В дальнейшем работа устройства происходит аналогично, вышеописанному , причем в каждьй парный период следования импульсов генератора 16 обновляется напряжение в соответствующих блоках 12 и 13 выборки-хранения„

При измерении реактивной мощности Q по сигналу оператора двухполюсный переключатель 9 переводится в нижнее положение. При этом напряжения с выходов первого 4 и второго 7 сумматоров через фазовращатели 5 и 8 и двухполюсный переключатель 9 поступают на входы аналогового перемножителя 10

Поскольку фазовращатели 5 и 8 обеспечивают сдвиг фаз на 90 между своими выходными напряжениями в широком диапазоне частот, то произведение напряжения на выходе фазовращателя 5 на напряжение на выходе фазовращателя 8 дает напряжение, пропорционально реактивной мощности Q, Обозначают коэффициенты передачи фазовращателей 5 и 8 соответственно через К е-и Kg. Тогда напряжения на выходе фазовращателей 5 и 8 соответственно равны с учетом (2)

0

5

0

5

0

5

0

.

0

U(t) KjD UjCt) - Uo, , - (8) U(t) .ig(t) -ь Z/j,

Причем колебания гармони еских составпяющих в U(t) и Uj(t) сдвинуты один относительно другого на 90 , Индексами Ut-(t) и igCt) обозначены напряжения U.(t) и (t), но сдвинутые на 90 один относительно другого. Поэтому усредненные значения произведения y(t )i(t ) Q пропорциональны значению реактивной мощности Q. Аналогично описанному вьше случаю измерения активной мощности для измерения реактивной мощности можно показать, что в этом случае на выходе аналого-цифрового преобразователя 15 формируется код, пропорциональный реактивной мощности

N, W.

ПРИ К,,-К,К,-1- - -1- кратном 10 результат измерения непосредственно пропорционален значению реак- . тивной мощности Q,

Таким образом, цифровой измеритель мощности переменного тока позволяет повысить точность измерения активной и реактивной мощностей в цепях с несимметричной формой колебаний тока относительно оси времени за счет обеспечения независимости результата измерения от значения коэффициентов передачи фазовращателей, и от несимметрии колебаний тока относительно оси времени.

Формула изобретения

Цифровой измеритепь мощности переменного тока, содержащий входной пре- образователь напряжения, входной преобразователь тока, аналоговьй перемножитель, интегратор, первый и второй сумматоры, аналого-цифровой преобразователь, источник опорных напряжений, причем выход входного преобразователя напряжения соединен с суммирующим входом первого сумма тора, выход входного преобразователя тока подключен к первому суммирующему входу второго сумматора, второй суммирующий вход которого соединен с выходом интегратора, вход которого подключен к выходу аналогового перемножителя, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения точности измерения активной и реактивной мощности в цепях с несимметричной формой колебаний тока относительно оси времени, в него введены генератор импульсов,сч.етчик; депифратор, переключатель, двухполюсный переключатель, первый и второй фазовращатели, Q первый и второй блоки выборки-хранения, дифференциальный усилитель,

причем выход генератора импульсов соединен с счетным входом счетчика, информационные выходы которого под- J5 ключены к информационным входам дешифратора, первый и второй выходы которого соединены с входами управления соответственно первого и второго блоков выборки- сранения, третий 20

выход подключен к входу управления переключателя, первый и второй входы которого соединены соответственно

с первым и вторым выходами источника опорных напряжений, а выход соединен с вычитающим входом первого сумматора, выход которого подключен к первому входу двухполюсного переютюча- теля и к входу первого фазовращателя, соединенного выходом с вторым входом двухполюсного переключателя, третий вход которого соединен с выходом второго сумматора и с входом второго фазовращателя, выход которого подключен к четвертому входу двухполюсного переключателя, соединенного выходами с входами аналогового пере- множителя, выход интегратора подключён к входам первого и второго блоков выборки-хранения, выходы которых соединены соответственно с неинвертиру- ющим и инвертирующим входами дифференциального усилителя, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в цифровых измерителях активной и реактивной мощности с аналоговым перемножением сигналов. Целью изобретения является повышение точности измерения активной и реактивной мощности в цепях с несимметричной формой колебаний тока относительно времени. Указанная цель достигается введением дифференциального усилителя 14, первого 12 и второго 13 блоков выборки-хранения (БВХ), переключателя 2, управление которыми осуществляют генератор 16 импульсов, счетчик 17, дешифратор 18. Измеритель содержит также источник 1 опорных напряжений, входной преобразователь 3 напряжения, входной преобразователь 6 знака, первый 4 и второй 7 сумматоры, первый 5 и второй 8 фазовращатели, двухполюсный переключатель 9, аналоговый перемножитель 10, интегратор 11, аналого-цифровой преобразователь 15. Компенсация погрешности, обусловленной несимметрией колебаний тока (НКТ), производится в два такта. В первом такте выходное напряжение интегратора (И) 11, содержащее аддитивную составляющую погрешности из-за НКТ, фиксируется первым БВХ 12. Во втором такте напряжение И 11 фиксируется вторым БВХ 13, причем это напряжение так же содержит в качестве аддитивной составляющей погрешность из-за НКТ. Дифференциальный усилитель 14 формирует разностный сигнал, пропорциональный активной или реактивной мощности, свободный от названной погрешности. Точность измерения активной и реактивной мощности значительно повышается за счет независимости результата измерения от значения коэффициентов передачи фазовращателей и от несимметрии колебаний тока относительно оси времени. 1 ил.