Устройство для измерения показателей качества электрической энергии в трехфазных сетях Советский патент 1992 года по МПК G01R29/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения несимметрии, несинусоидальности и отклонений напряжения в трехфазных сетях, т.е. дли оценки качества электрической энергии в промышленных условиях, автономных системах электроснабжения, а также в лабораторной практике.

Известно устройство для измерения показателей качества электрической энергии в трехфазных сетях. Недостатком этого устройства являются ограниченные функцио- нальные возможности, так как оно

позволяет измерять только несимметрию в трехфазных сетях.

Известно также устройство для измерения параметров качества электрической энергии в трехфазных сетях, основанное на использовании трехэлементного измерительного механизма. Недостатком этого устройства является ручная настройка прибора и связанная с этим задержка во времени получения результатов измерения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения показателей качества элект Х|

Ю

СЛ 4 Ю

рической энергии в трехфазных сетях, содержащее трехэлементный измерительный механизм электродинамической системы с подвижными и неподвижными катушками и общей осью, причем обмотки неподвижных катушек подключены к фазным проводам трехфазной сети, датчик угла поворота указанной оси, эталонный регулируемый генератор трехфазного напряжения, выход которого подключен к входу трехфазного устройства сдвига фаз на 90 эл.град. Это устройство имеет невысокую точность измерений вследствие наличия дополнительного трехэлементного измерительного механизма электродинамической системы, который настраивается на нуль показаний при максимальном показаний основного механизма. При неизбежной неидентичности обоих измерительных механизмов нулевая настройка дополнительного механизма не со- ответствует максимальной настройке основного и, следовательно, появляется погрешность измерений, фиксируемых по по- казаниям максимальной настройки основного измерительного механизма. В процессе изготовления трехэлементных измерительных механизмов их идентичности достичь невозможно, т.е. принципиально погрешность измерений не может быть устранена.

Цель изобретения - повышение точно- сти измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения показателей качества электрической энергии трехфазных сетях, содержащее трехэлементный измерительный механизм электродинамической системы с подвижными и неподвижными катушками и общей осью, причем обмотки неподвижных катушек подключены к фаз- ным проводам трехфазной сети, датчик угла поворота указанной оси, индикатор отсчета измеряемой величины, эталонный регулируемый генератор трехфазного напряжения и трехфазный блок сдвига фаз на 90 эл.град., введены тактовый генератор, триггер, два регистра, логический блок и блок усилителей, причем датчик угла поворота выполнен в виде преобразователя угол-код, разрядные выходы которого подключены к разряд- ным входам данных первого и второго регистров, тактовые входы которых подсоединены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, счетный вход которого соединен с выходом тактового ге- нератора, разрядные выходы первого регистра подключены к управляющим входам эталонного генератора, второго регистра - к индикатору отсчета измеряемой величины, выходы триггера, эталонного генератора и блока сдвига фаз подключены к входам логического блока, выходы которого через блок усилителей соединены с обмотками подвижных катушек трехэлементного измерительного механизма.

Логический блок реализует следующие зависимости:

Xi

Yi Y2 Y3

+ X,

Y Y5 Ye

(1)

где Zi, Z2, Za - сигналы на выходах логического блока;

Yi, Y2, Ya - сигналы на выходах эталонного генератора трехфазного напряжения;

Y4, YS, Ye - сигналы на выходах блока сдвига фаз на 90 эл.град.;

Xi, Xi - сигналы на прямом и инверсном выходах триггера.

На чертеже приведена структурная схема устройства.

Устройстгэ содержит эталонный регулируемый генератор 1 трехфазного напряжения, выходы Yi-Уз которого подключены к входам блока 2 сдвига фаз на 90 эл.град и логического блока 3. Выходы Y4-Ye блока 2 также подключены к входам логического блока 3. Устройство содержит также тактовый генератор 4, выходом подсоединенный к счетному ВХ.ОДУ 5 триггера 6, прямой Xi и инверсный Xi выходы которого также подключены к входам логического блока 3. Выходы Zi-Za логического блока 3 подключены к входам блока 7 усилителей, выходы которого подключены к обмоткам подвижных катушек 8-10 трехэлементного измерительного механизма 11 электродинамической системы.Обмотки 1244 неподвижных катушек механизма 11 подключены к фазным А, В, С и нулевому О проводам трехфазной измеряемой сети. Общая ось 15 трех элементов механизма 11 присоединена к преобразователю 16 угол-код, выполняющему функции датчика поворота оси 15. Разрядные выходы 17 преобразователя 16 подключены к разрядным входам данных первого 18 и второго 19 регистров. Тактовый регистра 18 подсоединен к инверсному Xi, а тактовый вход 21 регистра 19 - к прямому Xi выходам триггера 6. Разрядные выходы. 22 первого регистра 18 присоединены к управляющим входам 23 эталонного генератора 1, а разрядные выходы 24 второго регистра 19 - к входам индикатора 25 отсчета измеряемой величины.

Принцип работы устройства может быть рассмотрен на примере, измерения симметричных составляющих трехфазной сети. Напряжения отдельных фаз трехфазной измеряемой сети А, В, С, О можно представить следующим образом;

UA-UO sln(ot+)b}+ Ui. jta(«)t -yO + lh 4n(o)t +И): f Ua-U««sln +)fe) + Ui.3lnf j)t + ) i) + Uj,,sM« + ): (2) i Oc-U«« ln(ot+yiJ + Ui.«in{et + -.4-yi)(a4-4j +}i),

где Uom, Uim, U2m - амплитуды составляющих нулевой, прямой и обратной последовательностей соответственно:

(о - круговая частота трехфазной сети;

YO , У1. Хг-Фазовые углы составляющих нулевой, прямой и обратной последовательностей соответственно. ,

Эти напряжения подаются на обмотки неподвижных катушек 12-14 трехэлементного измерительного механизма 11.

С помощью эталонного генератора 1 трехфазного напряжения формируется трехфазная система симметричных напряжений, например, с частотой сети (о .Пусть порядок чередования фаз этой системы выбран обратным

Yi ( + (5);

Y2 Um sin (ftA+ - +6);

Y3 Umsin(tot+4f- +(5).

где б-угол регулирования.

Через логический блок 3 и блок 7 усилителей сигналы Yi-Ys в соответствии с выра- жениями (3) поступают на обмотки подвижных катушек 8-10 трехэлементного измерительного механизма 11.

В результате взаимодействия магнитных полей, создаваемых токами обмоток по-, двйжных и неподвижных катушек, в каждом элементе измерительного механизма 11, происходит модуляция фазных напряжений UA, UB. Uc измеряемой сети симметричными сигналами Yi, Y2, Уз. Результатом модуляции в каждом элементе является вращающий момент

Мер- -Ки,пиЯтС08(-б) . (4)

где К - коэффициент, зависящий от активных сопротивлений обмоток подвижных и неподвижных катушек,

М - взаимная индуктивность между подвижными и неподвижными катушками;

а угол поворота оси 15.

При б - yi средний момент МСр оказывается пропорциональным амплитуде (Jzm составляющей обратной последовательности по частоте о), а угол регулирования д, задаваемый в генераторе 1, при максимальном угле поворота сгоси 15, отсчитываю3 - Ј-амплитуду

щем в масштабе -Ј- KU

Item, равен фазовому углу этой последовательности YiСигналы YI-YS на выходе эталонного генератора 1 подаются на входы блока 2 сдвига фаз на 90 эл.град. В итоге на выходе блока 2 формируются сигналы

-JY4 - Urn Sin (О) t +-7Jr) Um COS ( ):

2я

(5)

jYs-Um sM«t+ + 5+ -;)-Umcos (): .Ye - Um sin (a t + + 5+ -у) - Um cos (со t + + (5).

В результате описанной ранее модуляции средний момент может быть представлен в виде

15 MCp -|-KUmU2mSln(ft-d) (6)

Здесь при д -yi средний момент оказыва-. ется равным нулю.

Таким образом, .при нулевом моменте

20 Мер, возникающем на оси 15 при модулирующих сигналах Y/j-Ye, момент МСр. возникающий на оси 15 при модулирующих сигналах Yr-Ya, будет максимальным и пропорциональным измеряемой величине U2m,

25 а угол 5 поворота оси 15 - измеряемому углу Yi

Однако при неидентичных трехэлемент тных измерительных механизмах по формуле (4) нулевые вращающие моменты на оси

30

одного из них не соответствуют максимальным моментам на оси другого. Полная идентичность может быть достигнута только в том случае, когда функции обоих измерительных механизмов выполняет один из

них. Этот принцип реализуется в приведенной схеме. Здесь трехэлементный измерительный механизм 11 в одном такте дает максимальное отклонение с моментом на оси 15 по формуле (4). При этом значение

измеряемой величины U2m фиксируется индикатором 25 отсчета измеряемой величины. В качестве модулирующих сигналов в этом такте подается трехфазная симметричная система напряжения (3) от эталонного

генератора 1. В другом такте измерительный механизм 11 работает на достижение нулевого отклонения с моментом на оси 15 по формуле (6). При этом замыкается отрицательная обратная связь через первый регистр 18 и генератор 1. В качестве модулирующих сигналов в этом такте подается сдвинутая на 90 эл.град. система напряжений (5) от блока 2.

По схеме устройства указанные режимы

реализуются следующим образом. Генератор 4 вырабатывает тактовые импульсы, которые по счетному входу 5 поступают на запуск триггера 6. На прямом Xi и инверсном Xi выходах триггера 6 появляются противофазные прямоугольные импульсы, дли тельность которых определяет длительность такта. Пусть в первом такте на Xi будет нулевой (запрещающий) уровень (Xi.0), а наХ1-единичный (разрешающий) уровень (Xi 1). Тогда, судя по зависимостям (1), логический блок 3 пропускает на выходы Zi, Z2, Za сигналы Y4, Ys, Ye от блока 2 сдвига фаз на 90 эл.град., т.е. Zi - , Zz Ys, Za e Ye. Исходя из зависимости (6), система стремится к нулевому повороту оси 15. При этом отработка нулевого угла 5 производится следующим образом. При угле поворота оси 15, не равном нулю, преобразователь 16 преобразует этот угол в двоичный код, который через разрядные выходы 17 поступает на разрядные входы данных первого 18 и второго 19 регистров. Единичный уровень Xi - 1, поступающий на тактовый вход 20 первого регистра 18, разрешает непрерывную, запись кода, поступающего на разрядные входы данных регистра 18 от разрядных выходов 17 преобразователя 16. Одновременно этот код появляется на разрядных выходах 22 регистра 18 и на управляющих входах 23 эталонного генератора 1. В соответствие со значением кода на входах 23 генератор 1 устанавливает такой угол сдвига 5 сигналов Yi-Ys, чтобы, согласно принципу действия отрицательной обратной связи, уменьшить значение кода от регистра 18. В установившемся режиме поворот оси 15 стремится к нулю, код преобразователя 16 и регистра 18 - также к нулю, а угол д сдвига сигналов в соответствии с системой (3). судя по выражению (6), - к углу у%. Код с разрядных выходов 17 преобразователя 16 одновременно поступает нз разрядные входы данных второго регистра 19 и при нулевом управляющем сигнале Xi 0 на его тактовом входе 21 не появляется на разрядных выходах 24. На индикатор 25 не посту- пает код измеряемой величины. Длительность первого такта выбирается достаточной для установления процессов в замкнутой системе регулирования: генератор 1, блок 2 сдвига, логический блок 3, блок 7 усилителей, измерительный механизм 11, - преобразователь 16, регистр 18.

Во втором такте на выходе Xi триггера 6 будет единичный (разрешающий) уровень {Xi 1), Xi - нулевой (запрещающий) уровень (Xi 0). Тогда, судя по зависимостям (1), логический блок 3 пропускает на выходы Zi, 22, 2з сигналы Yi, Y2. Ys от эталонного генератора 1, т.е. Zi Yi, Zz Y2. Zs Уз. Исходя из зависимости (4), система стремится к максимальному повороту оси 15. При этом в генераторе 1 сохраняется

угол сдвига 6 yi, установленный в предыдущем первом такте. В этих условиях ось 15 измерительного механизма 11 поворачивается на максимальный угол, соответственно к максимальному стремится код на разрядных выходах 17 преобразователя 16 и на разрядных входах данных регистров 18, 19. При нулевом (запрещающем) уровне Xi на тактовом входе 20 первого регистра 18

этот код не записывается в регистр 18. При единичном уровне Xi на тактовом входе 21 код преобразователя 16 записывается во второй регистр 19 и появляется на его разрядных выходах 24. Индикатор 25 фиксирует значение измеряемой величины U2m.

В следующем такте процесс уравновешивания повторяется.

Таким образом осуществляется измерение в предлагаемом устройстве. Логический

блок 3 предназначен для поочередной по тактам подачи на обмотки подвижных кату- шек 8-10 через блок 7 усилителей модулирующих сигналов Yi-Ya и Y4-Ye, т.е. реализует логическую зависимость (1).

Функциональные схемы отдельных узлов и блоков устройства могут быть реализованы на основе известных практических решений. Так, эталонный регулируемый генератор 1 трехфазного напряжения может

быть построен по известным схемам трехфазных RC- или LC-генераторов синусоидального напряжения с регулируемым сдвигом фаз. Блок сдвига фаз на 90 эл.град может быть реализован на основе сдвигающих RC-или RL-цепочек в трехфазном исполнении, логический блок 3 - на основе разнообразных логических элементов И, ИЛИ. Тактовый генератор 4, триггер 6, блок 7 усилителей в технической реализации, в

том числе и с использованием микросхемотехники, затруднений не вызывают. Трехэлементный измерительный механизм 11 может быть взят из типового трехфазного ваттметра Д582. Реализация преобразователя 16 угол-код, первого и второго регистров 18, 19 и индикатора 25 отсчета также хорошо освещена в технической литературе.

Использование предлагаемого устройства, по сравнению с прототипом, позволит повысить точность измерений показателей качества электрической энергии в трехфазных сетях.

Формула изобретения

Устройство для измерения показателей качества электрической энергии в трехфазных сетях, содержащее трехэлементный измерительный механизм электродинамической системы с подвижными и неподвижными катушками и общей осью, причем обмотки неподвижных катушек подключены к фазным проводам трехфазной сети, датчик угла поворота указанной оси, индикатор отсчета измеряемой величины, эталонный регулируемый генератор трехфазного напряжения и трехфазный блок сдвига фаз, вход которого подключен к выходу регулируемого генератора, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены тактовый генератор, триггер, два регистра, логический блок и блок усилителей, причем датчик угла поворота выполнен в виде преобразователя угол-код, разрядные выходы которо0

5

го подключены к разрядным входам данных первого и второго регистров, тактовые входы которых подсоединены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, счетный вход которого соединен с выходом тактового генератора, разрядные выходы первого регистра подключены к управляющим входам эталонного генератора, разрядные выходы второго регистра - к индикатору отсчета измеряемой величины, выходы триггера, эталонного генератора, блока сдвига фаз подключены к входам логического блока, выходы которого через блок усилителей соединены с обмотками подвижных катушек трехэлементного измерительного механизма.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерений показателей качества электрической энергии в трехфазных сетях путем использования одного трехэлементного измерительного механизма поочередно в двух тактах. В течение одного из них производится уравновешивание системы путем замыкания цепи обратной связи, в течение другого - собственно измерение. Устройство включает трехэлементный измеритель- . ный механизм с общей осью, датчик угла поворота этой оси, выполненный в виде преобразователя угол-код, эталонный регулируемый генератор трехфазного синусоидального напряжения, блок сдвига фаз на 90 эл.град., логический блок, блок усилителей, а также тактовый генератор, триггер, два регистра и индикатор измеряемой величины. Тактовый генератор управляет двумя регистрами и логическим блоком, в результате чего при уравновешивании системы в качестве модулирующих сигналов на трехэлементный измерительный механизм подается сдвинутое на 90 эл.град. трехфазное напряжение от блока сдвига фаз на 90 эл.град., а при выполнении измерения - непосредственно от эталонного регулируемого генератора. 1 ил.ч