Способ формирования сигнала, пропорционального обобщенному вектору трехфазной системы напряжений Советский патент 1992 года по МПК G01R29/16 

сл

С

Изобретение относится к измерительно-преобразовательной технике и направлено на повышение быстродействия и точности измерительных и релейных органов автоматики энергосистем. Цель изобретения - упрощение и расширение области применения способа в нестационарных режимах трехфазных сетей. Устройство для реализации способа содержит масштабирующие усилители, сумматоры, генератор и умножители, с помощью которых реализуется алгоритм выделения обобщенного вектора. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к измерительно-преобразовательной технике и направлено на повышение быстродействия и точности работы измерительных и-релейных органов устройств релейной защиты и автоматики энергосистем, трехфазных электроприводов и т.д.

Известен способ формирования сигнала, пропорционального обобщенному вектору трехфазной системы напряжений (токов), согласно которому формируют первый опорный сигнал с частотой большей частоты контролируемой трехфазной цепи и перемножают его на напряжение, пропорциональное напряжению первой фазы трехфазной цепи, затем формируют второй и третий опорные переменные сигналы, сдвинутые по отношению к первому соответственно на 1/3 и 2/3 периода их частоты и также перемножают их на напряжения, пропорциональные соответственно напряжениям второй и третьей фаз контролируемой трехфазной цепи.

Полученные после перемножения сигналы суммируют. Причем перечисленные выше операции обеспечивают реализацию обобщенного вектора только в случае симметричной трехфазной цепи. При несимметрии трехфазной цепи необходимо предварительно разложить систему напряжений (токов) на симметричные составляющие и затем указанные выше операции повторить два раза при уравновешенной системе или три раза, если трехфазная система неуравновешена и раскладывается на

Ч

ю сл

о сл

три симметричные системы - прямого, обратного и нулевого следования фаз.

Известный способ имеет следующие недостатки. В нем используются три высокочастотных опорных сигнала и требуется как минимум три операции перемножения для случая симметричной трехфазной цепи. При несимметрии число операций перемножения необходимо увеличить до шести при уравновешенной трехфазной цепи или до девяти при неуравновешенной трехфазной системе.

Кроме того, известный способ при несимметрии контролируемой трехфазной цепи требует предварительного разложения системы напряжений (токов) на симметричные составляющие, что возможно только в установившихся, стационарных режимах. Поэтому применение известного способа ограничено именно такими режимами.

Цель изобретения -упрощение известного способа и расширение области его применения на случай нестационарных режимов контролируемой сети.

Цель достигается тем, что по предлагаемому способу формируют второй опорный сигнал с той же частотой, что и первый, но ортогональный ему, масштабируют амплитуду сигналов, пропорциональных напряжению в фазах контролируемой трехфазной системы, вычитают из масштабированного сигнала соответствующего первой фазе сумму масштабированных сигналов, соответствующих второй и третьей фазам и принимают результат за первую проекцию обобщенного вектора трехфазной системы напряжений, вычитают из масштабированного сигнала, соответствующего второй фазе масштабированный сигнал, соответствующий третьей фазе и результат принимают за вторую проекцию обобщенного вектора напряжений трехфазной системы, умножают сигналы, принятые за первую и вторую проекции обобщенного вектора трехфазной системы напряжений соответственно на первый и второй опорные переменные сигналы, результаты умножения суммируют и принимают за сигнал, пропорциональный обобщенному вектору напряжений контролируемой трехфазной системы.

Существенным отличием предлагаемого способа является формирование лишь двух опорных высокочастотных сигналов, сдвинутых относительно друг друга на 1/4 периода их частоты, а также использование всего двух операций перемножения, что значительно упрощает известный способ.

0

5

0

Кроме того, при несимметрии контролируемой трехфазной системы напряжений в предлагаемом способе отсутствуют операции разложения ее на симметричные составляющие, что, в принципе, можно выполнить только в установившемся, стационарном режиме трехфазной цепи. В связи с этим, наряду с упрощением, расширяется область применения предлагаемого способа на случай нестационарных, аварийных режимов трехфазных цепей.

В предлагаемом способе используются операции формирования проекций обобщенного вектора, основанные на простых операциях масштабирования и сложения (вычитания) сигналов, пропорциональных напряжениям в фазах контролируемой трехфазной цепи.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Как известно, обобщенный вектор определяется по мгновенным значениям напряжений Ua, Ub, Uc (или токов) трехфазной цепи по формуле

Ш- 4- ( Ua + a Ub + a2 Uc ) ,

0)

Ј где .

Произведя выражение: 2 3

преобразование, получим

Уй 4Ua-4-(Ub+Uc) +

35+J-y -(Ub-Uc) Ux+jUy, (2)

в котором 40Ux 4- Ua- 4 (Ub+Uc);

Uy(Ub-Uc)

проекции обобщенного вектора.

В соответствие с формулами (3) и (4) проекции обобщенного вектора формируют с помощью операций масштабирования и сложения (вычитания) сигналов, пропорциональных напряжениям в фазах контролируемой цепи.

Обобщенный вектор (2) в показательной форме следующий:

U(t) Vu2 + U ejarctg

(5)

где U(t) vui+Uy - амплитуда вектора;

ip(t) arctg фаза вектора.

Для реализации вектора производят умножение его проекций на ортогональные напряжения опорных высокочастотных сигналов с частотой n - sin nt и cos nt.

В результате получают напряжения

(Ui Uxsin nt;

COS nt .

После сложения напряжений Ui и U2 получают напряжение

U Ux sin nt + Uy cos nt Vux-f U sin ( nt + arctg ) . (7)

Полученный сигнал U представляет собой синусоидальное напряжение с частотой п, амплитуда которого равна амплитуде обобщенного вектора, а начальная фаза - фазе обобщенного вектора.

На фиг. 1 приведено устройство для реализации способа; на фиг. 2 - график его работы.

Исходным материальным объектом является трехфазная система напряжений (токов) генератора или сети. Сначала из мгновенных значений фазных напряжений Ua, Ub, Uc формируют с помощью операций масштабирования и сложения (вычитания) проекции обобщенного вектора согласно формулам (3) и (4). Для этого напряжение фазы а - Ua подключают на вход масштабирующего усилителя 1, на выход которого получают напряжение 2/3 Ua. Напряжение фаз b и с подключают соответственно на входы масштабирующих усилителей 2 и 3, выходные напряжения которых 1 /3 Ub и 1 /3 Uc после суммирования в сумматоре 4 подаются на вычитатель 5, на второй вход которого подключено напряжение 2/3 Ua с выхода усилителя 1. Таким образом, на выходе вычитателя 5 формируется сигнал

21

Ux -о- Ua - -3- ( Ub + Uc ) , который, согласно формуле (3), пропорционален первой проекции обобщенного вектора. Напряжения фаз b и с подключают также на входы масштабирующих усилителей 6 и 7, с выходов которых снимают соответственно напряжения и .

После вычитания этих напряжений в вычи- тателе 8 на его выходе получают сигнал

Uy -j (Ub-Uc). пропорциональный вто5 рой проекции обобщенного вектора в соответствие с формулой (4).

Сигналы, пропорциональные проекциям обобщенного вектора, с выходов сумматоров 5 и 8 подключают соответственно на

10 входы перемножителей 9 и 10, на вторые входы которых подают опорные высокочастотные сигналы sin nt и cos nt, формируемые на выходе генератора 11 опорных напряжений. Напряжения sin nt с вы15 хода перемножителя 9 и U2 Uy cos nt с выхода перемножителя 10 подают на входы сумматора 12, на выходе которого получают сигнал U Ux sin nt+ Uy cos nt

„- V Ux + U« sin(nt+ arctg -т-Л- ), пропорциейUx

ональный обобщенному вектору напряжений контролируемой трехфазной системы напряжений.

Рассмотрим действие способа и работу 25 устройства в случае симметричной трехфазной системы, когда фазные напряжения определяются формулами

30

Ua UmSinu t;

Ub Umsin(un-120°); Uc Umsin(ft t+120°).

35 Проекции обобщенного вектора в этом случае имеют вид

Ux -|-Ua-3-(Ub+Uc)

40

Ua UmSinft)t;

(8)

45

Uy -JL- ( Ub - Uc ) - Um COS (0 t . (9)

Амплитуда обобщенного вектора при этом определится формулой

U(t)vuI+uT Um, а фаза обобщенного вектора формулой

i / NUy

V(t) arctg -yJ-

arctg ( - ctg o t) - 90° , так как - ctg аи - tg (90°-ол) tg(c.m-900).

Используя предлагаемый способ, после перемножения проекций обобщенного вектора Ux и Uy на высокочастотные опорные напряжения генератора sin nt и cos nt, получают следующие напряжения:

Ui Ux sin nt 0,5 Um cos (n - ft)x xt -0,5 Dm cos (n + cy)t;(10);

U2 Uy COS nt - 0,5 Um COS ( П - 0) ) X

x t - 0,5 Um cos ( n + a)) t.

(11)

На фиг. 2а, б представлены временные 15 диаграммы напряжений Ui Ux sin nt, cosnt в соответствии с формулами (10) и (11). Частота n 5ft) взята достаточно низкой, чтобы облегчить построение кривых и проследить действие принципа.20

После суммирования напряжений Ui и U2 на фиг. 2в показано выходное напряжение UBbix Ui+ U2, которое отражает его математическое представление в соответствие с формулой25

U Ui + U2 - Um cos ( n + О)) t

Um +(t -90°).

(12)

Полученный сигнал представляет собой синусоиду высокой частоты п, амплитуда которой Um равна амплитуде обобщенного вектора, а начальная

фаза )1 - 90° равна мгновенной фазе обобщенного вектора.

При несимметрии трехфазной системы напряжений Ua, Ub и Uc все выше приведенные операции остаются в силе. Однако ам- плитуда обобщенного вектора уже не будет постоянной величиной, появятся амплитудные биения, которые будут тем больше, чем больше степень несимметрии. Мгновенная фаза выходного сигнала устройства также будет сложной функцией времени, определяющей нераеномерность вращения обобщенного вектора.

Использование сигналов, пропорциональных обобщенным векторам напряже- ний и токов трехфазной системы, позволит повысить точность и быстродействие устройств измерения и релейной защиты энергосистем. Это достигается тем, что частоту сигнала обобщенного вектора n выбирают существенно выше частоты сети со. Поэтому измерение мощности, частоты, сдвига фаз и

т.д. производится с помощью обобщенных векторов многократно за период частоты сети, что обеспечивает повышение быстродействия. Усреднения выходного сигнала преобразователей и реле на периоде основной частоты сети при многократном измерении.приводит к повышению их точности.

5 0

5

0

5

Q 5

Q

Формула изобретения

Способ формирования сигнала, пропорционального обобщенному вектору трехфазной системы напряжений, заключающийся втом, что формируют сигналы, пропорциональные напряжению в фазах контролируемой трехфазной системы, формируют первый опорный переменный сигнал с частотой, большей частоты контролируемой трехфазной системы, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и расширения области его применения на случай нестационарных режимов контролируемой сети, формируют второй опорный сигнал с той же частотой, что и первый, но ортогональный ему, масштабируют амплитуду сигналов, пропорциональных напряжению в фазах контролируемой трехфазной системы, вычитают из масштабируемого сигнала, соответствующего первой фазе, сумму масштабированных сигналов, соответствующих второй и третьей фазам, и принимают результат за первую проекцию обобщенного вектора трёхфазной системы напряжений, вычитают из масштабированного сигнала, соответствующего второй фазе, масштабированный сигнал, соответствующий третьей фазе, и результат принимают за вторую проекцию обобщенного вектора напряжений трехфазной системы, умножают сигналы, принятые за первую и вторую проекции обобщенного вектора трехфазной системы напряжений, соответственно на.первый и второй опорные переменные сигналы, результаты умножения суммируют и принимают за сигнал, пропорциональный обобщенному вектору напряжений контролируемой трехфазной системы.