Способ определения коэффициента мощности Советский патент 1991 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для оценки экономичности электропотребления промышленных объектов.

Цель изобретения - повышение быстродействия и точности измерения.

На фиг. 1 представлены временные диаграммы, поясняющие способ; на фиг. 2 - блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 4 - блок-схема алгоритма работы вычислительного блока.

Сущность предлагаемого способа состоит в определении коэффициента мощности по трем мгновенным значениям напряжения и тока, взятым в равноотстоящие друг от друга моменты времени, первое из которых взято в произвольный момент времени, согласно формуле

„,.,.. 2U2-U3Ui-Ui.2e-l3li-lK

2U2VU -U3Ui .

СЛ

с

и2U$ - UaUi U 2U2VUЈ-U3Ui ,

О)

xr-ti- (2|3- з 1- 1Г-| . XL-11 2i2V,3-,3iiJ J

о VI

2

О

где Ui, IJ2. Ua мгновенные значения напряжения исследуемой цепи;

h, I2. з. - мгновенные значения тока в исследуемой цепи,

Если сигналы напряжения и тока в исследуемой цепи содержат только первые гармоники, то

sinai;

U2 Um sin («1 + w At);

Us Um sin (CM + 2 wAt);

. h-lmslnoa; l2 lmsln(as + ft)At); l3-lm sin (02 4-2 w At);

где a,cti - фазы сигналов напряжения и тока;

At - t2-ti t3-t2 - интервал времени между двумя соседними выборками (фиг. 1).

Тогда iui-iwi-iff .

2UjVU3-lbUi

2sln(ai +ft)At)cosai

2sln(m+ft)At)1Аналогично

2lj-l3U-rt . 2ljV|5-|3|,

{1 - cos2a)At + cos2o(z - cos(2as + 2a«At)

2sin(aj + wAt) (i-cos2a ut)

cosoa.. (3)

Тогда

-Изобретение относится к электроизмерительной технике. Предлагаемый способ служит для измерения коэффициента мощности. Цель изобретения - повышение быстродействия и точности измерения -достигается тем, что в три момента времени, равноотстоящие друг от друга, измеряют мгновенные значения тока и напряжения, причем первое измерение производят в произвольный момент времени, а коэффициент мощности определяют по формуле, приведенной в формуле изобретения. 4 ил.

+ oAi) - UE,sln(ai + 2 taut) - UJUln2ai 2UmSln(at + lain) VuSisln on + ftjui) - Utaln(at + 2 uut)s1nai

2Япг(а| + aui) - sln(ai + 2 cuupslnui - aln oi (ai + o)ui) Vslns(ai + o)At) - Sln(at 4- 2 cafa)

Таккак81п2(«1 +Q)At) -cos(2ai + 2 со At);

sln(ai +26oAt)sinai {cos2G At- -cos(2ai +2 w At); sin2 a - {1 - cos2ai,

о выражение принимает вид aui-upUi-u

2UiVUj-U3Ul

i{1 - + cos2at - coj(2ai + 2(uui)

(2)

2sin(ai ) (l - cos2«)ut)

Так как

1-cos 2 «At 2 sin2 ft)At ; cos2 «1 - cos (2ai + 2соДт) 2 sin (2ai + ft)At) sin ft)At;

о выражение принимает вид

2US-U3Ui-u3 2UaVU2:-U3Ui

sln2u)At + sin(2ai + ft)At)sino)At 2sin(ai + ft)At)stn«)At

sin u) tuAt + sin(2«i + Q)At)sin Q)At 2sin(ai + coAt)sin cuAt

Так как sin ft)At + sin (2ai + ft)At) 2 sin (ai + ft)At) cos ai,

то

2U -U3Ui-U 2U2VU$-U3Ui

Я1

I (2

2US-U3Ui-lrV 2U2VU§-U3Ui j

VTcos2ai;

20

y, f2i2-i3ii

. Г I2i2vi2 1 -cos2ai2;

Так как

sin «1 ± V 1 - cos2ai sin 02 ± 1 - cos2O2,

то выражение (1) может быть записано в следующем виде:

cos ai -cosca + sinai -slno cos («2 - «0 cosp .

0

5

0

Устройство реализующее предлагае- b мый способ (фиг, 2), содержит аналого- цифровые преобразователи 1 и 2, мультиплексор 3, вычислительный блок 4, блок 5 управления, генератор 6опорной частоты, ключ 7, счетчик 8, схему 9 сравнения кодов и регистр 10 сдвига, причем шина первого входного сигнала соединена с входом аналого-цифрового преобразователя 1, выходы разрядов которого соединены с первой группой входов мультиплексора 3, вторая группа входов которого соединена с выходами разрядов аналого-цифрового преобразователя 2, а выходы соединены с информационными входами вычислительного блока 4, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока 5 управления, второй выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора 3, а третий выход - с запускающими входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 1 и 2, выход генератора 6 опорной частоты соединен с входом ключа 7, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока 5 управления, а выход - с информационным

входом счетчика 8, выходы разрядов которого соединены с первыми информационными входами схемы 9 сравнения кодов, вторые информационные входы которой соединены с выходами разрядов регистра 10 сдвига, управляющий вход которого соединен с выходом схемы 9 сравнения кодов и первым входом блока 5 управления, второй вход которого соединен с входом установки нуля счетчика 8, входом предварительной установки регистра 10 сдвига.

Устройство работает следующим образом.

После подачи импульса на шину Пуск устройства счетчик 8 обнуляется, вычислительный блок 4 переходит к началу выполнения программы, в регистр 10 сдвига записывается код Nt. Мультиплексор 3 подключает выход АЦП 1 к информационному входу вычислительного блока 4.

По команде с блока 5 управления в момент времени ti (фиг. 1) запускаются АЦП 1 и 2, на входах которых в это время величина напряжения равна Ui Umsin «1, а величина тока равна h lmsln аг. Одновременно замыкается ключ 7, и импульсы с генератора 6 опорной частоты начинают поступать на счетный вход счетчика 8.

Блок 5 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 4. Код NIU с выхода АЦП 1, пропорциональный напряжению Ui, записывается в вычислительный блок 4.

После этого по команде с блока 5 управления мультиплексор 3 подключает выход АЦП 2 к информационному входу вычислительного блока 4. Блок 5 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 4. Код NH с выхода АЦП 2, пропорциональный току И, записывается в вычислительный блок 4.

По команде с блока 5 управления мультиплексор 3 подключает выход АЦП 1 к информационному входу вычислительного блока 4.

В момент времени t2, когда код на выходе счетчика 8 принимает значение Nt, на выходе схемы 9 сравнения кодов появляется импульс, так как на вторые информационные входы схемы 9 сравнения с выхода регистра 10 сдвига подан код Nt. Этот импульс поступает в блок 5 управления и запускает АЦП 1 и 2, на входах которых в это время величина напряжения равна U2 Umsin( 0:1 4-шД t), а величина тока равна la Imsin(a2 + yAt), где At tsrti.

Одновременно по отрицательному фронту импульса с выхода схемы 9 сравнения кодов производится сдвиг регистра 10. На выходах регистра 10 устанавливается код 2Nt.

На выходе блока 5 управления формируется импульс запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 4. Код N2U с выхода АЦП 1,

пропорциональный напряжению U2, записывается в вычислительный блок 4.

После этого по команде с блока 5 управления мультиплексор 3 подключает выход АЦП,/ к информационному входу вычислительного блока 4. Блок 5 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 4. Код №i с выхода АЦП 2, пропорциональный току 12. записывается в

вычислительный блок 4.

По команде с блока 5 управления мультиплексор 3 подключает выход АЦП 1 к информационному входу вычислительного блока 4,

В момент времени тз, когда код на выходе счетчика 8 принимает значение 2Nt, на выходе схемы 9 сравнения кодов появляется импульс, так как на вторые информационные входы схемы 9 сравнения кодов с

выхода регистра 10 сдвига подан код 2Nt. Этот импульс поступает в блок 5 управления и запускает АЦП 1 и 2, на входах которых в это время величина напряжения равна 1)з Umsln( а -Ъ й)Д t) , а величина

тока равна 1з lmsin( «2+2 ).

На выходе блока 5 управления формируется импульс запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 4. Код Мзи с выхода АЦП 1,

пропорциональный напряжению Уз, записывается в вычислительный блок 4.

После этого по команде с блока 5 управления мультиплексор 3 подключает выход АЦП 2 к информационному входу вычислительного блока 4. Блок 5 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 4. Код NSI с выхода АЦП 2, пропорциональный току з, записывается в

вычислительный блок 4.

В вычислительном блоке 4 выполняются вычисления согласно выражению

2N3u-N3uNiu-Nfa

NBBIX , 7х

2N2U vN5u- N3uUiu

х 2N3i-N3|Nii-N3i + 2N2iVN |-N3iNii

4X

X

Н

, f2N -N3iNii-N y-i 2N2lVtM§, - N3,Nii I J

NuNi + ( -Nfj) (±V1 -N) cos a cos ai + sin a sin ai cos p.

т.е. NBBIX пропорционален коэффициенту

мощности,

где

cos «1 Nu

2N24J - N3yNliu - 2Nau - NauUm

M 2K&-N3|Nu-l tfi

cos «2 NI / 9;

2N2lVN$| - N3|Nn

з п 21 ± ГГ-мЬ

(

|2N§u-N3uNiu-Nfa 2 N211 - NauNiuy

sin - N

f

2NSi - N3|Ni - |2N2iVN2i-N3iNii

(5)

Знаки в выражениях (4) и(5) выбираются ,. в соответствии со знаками мгновенных значений Ul UmSin «1, t ImSin Oi.

Сомножитель j -(1 - cos 2 (uAt) в зна

менателях выражений (2) и (3) обращается в ноль, если cos 2 wAt 1, чего не может быть, так как 2 0 , а At выбирается таким, что 2ш&.«л.

Знаменатель выражений (2) и (3) может обратиться в ноль, если U2 Umsin(«i + wAt) 0, 2 ImSln (02 + ) 0 ,

Для того, чтобы устранить возможность деления на ноль в вычислительном блоке 4 производится анализ кодов N2U и N21, про- порциональных напряжению U2 и току 12. Если, например, U2 0, а 12 0, то интервал времени A t увеличивается в 2 раза, т.е. At 2At t3-tifanr. 3).

В этом случае процесс измерения про- должается после момента времени t3.

В момент времени t4 (фиг. 3), когда код на выходах счетчика 8 принимает значение 4Nt, на выходе схемы 9 сравнения кодов появляется импульс, так как на вторые ин

формационные входы схемы с выхода регистра 10 подан код 4Nt. Этот импульс поступает в блок 5 управления и запускает АЦП 1 и 2, на входах которых в это время величина напряжения равна

U4 Umsln(ai + 4wAt) Uisin(ai + 2 wAt ). а величина тока равна

U lmSln(«2 + 4ft)At) UnSln( + 2 «At ).

По сигналам запроса на ввод, поступающим с блока 5 управления на управляющий вход вычислительного блока 4, код N4U. пропорциональный U4, и код N41, пропорциональный М, поочередно записываются в вычислительный блок 4.

В вычислительном блоке 4 выполняются вычисления (фиг. 4) согласно выражению

2N34J - N4uNm - Nfa 1Мвых. ,X

2N3u VN u-N4uUiu

х 2N3i - NaiNii - + . 2N2iVN§t - N3lNn

30

- N4uNm -

VN§U - N4UN1U ,

i

f

2N2|-N3|Ni-N i 2N2|VNjj, - N3iNn

NGNi + ))2 (±V1 - N) .

и выходной код NBBIX пропорционален коэффициенту мощности.

Аналогично выполняются вычисления в вычислительном блоке 4 (фиг. 4), если Iz О, а U2 0:

мя NsuNiu

NflblX, )X

2N2U vN2u - N3uUiu

v 2N§| - N4iNii - + 2N3iVN§|-N4iNii

1 f2N u-N3uNiu-Mu| -I x 2N2u Ж - N3UNiu J -I

X

. 2NSi-N iNn-Nli| j - i.-.i

N IA/IM -N IVI,,

- NuNJ + (±V1-N|j) (N()2 t

В случае, если L)2 0 и 2 0, выходной код определяется согласно выражению

2N3 u-N4uNiu-N2iu 2N3uVN3 u-N4uUiu

2N3i-N4iNn-N2ti + 2N3iVrg3i - N4iNn

Г±(7ГЖ L I 2N3u

- N4uNm - VN§u - N4uNiu

2fl

2N3|-N4lNi-N2ii 2N3lVN§|-N4iNii

NuN{ + (NG)2 ±V1(N| )2 ,

Длительность временного интервала At выбирается минимальной и ограничена, в основном, только временем аналого-цифрового преобразования АЦП.

Способ обладает более высоким быстродействием, так как время измерения не зависит от момента начала измерения и угла сдвига фаз между напряжением и током, а определяется только интервалом дискретизации At.

В известном способе время измерения зависит от момента начала измерения и может в общем случае составлять около периода входного сигнала. Это может произойти в том случае, если измерение начинают производить после того, как сигнал тока в исследуемой цепи перешел через ноль из отрицательной полуволны в положительную. Тогда до момента следующего перехода сигнала тока через ноль из отрицательной

U

V3 Vz

Ъ

At

з

УЗ

ъ

У

0

5

0

5

полуволны в положительную (т.е., до момента измерения первого мгновенного значения напряжения) пройдет интервал времени, приблизительно равный периоду входного сигнала.

Предлагаемый способ, обладает более высокой точностью измерения коэффициента мощности, так как в нем отсутствует погрешность определения момента перехода сигнала тока в исследуемой цепи через ноль, что имеет место в известном способе.

рмула изобретения Способ определения коэффициента мощности, заключающийся в том, что измеряют три мгновенных значения напряжения исследуемой цепи в моменты времени, равноотстоящие друг от друга, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, в те же моменты времени измеряют мгновенные значения тока в исследуемой цепи, причем первое измерение производят в произвольный момент времени, а коэффициент мощности определяют по формуле

30

costp

2U$-U3Ui-U2. . 2IS-I3I1-I2 2U2 V(jЈ - UaW afcVtff-iai,

R

2U3-U3U1-U1|

2U2VU5TU3Ui

хг+гГЛ 5п

И1 (2l2V,5-,3llJ J

где Ui, L)2, Уз- мгновенные значения напряжения исследуемой цепи;

И, 12, 1з мгновенные значения тока в исследуемой цепи.

U

7

Јг

6t

ьз

2д

V

51

I/ If

Ai

ФW2J

-г

ск

/

С

Начало 3

ДоВвод N23 /

Да

/ Ввод NM /

-5

2д

/ Ввод //jj / Аа

4/H)(/Hvf;

В

B61BQ0 NSM /

/ГД«Р/У ) Фиг А

Нет

Нет

fcwr - NuNj-(J)()

1BQ0

HSfHU i+

МШ/Г5Я

N&x Ni 4- ШЙиЈНР§ 1

torM-fty

УныЬ$ (/НУ/)

Нет

Nbi NtfNj-i/h(ViMff)

0//г (продолжение)