Измерительный преобразователь активной и реактивной составляющих синусоидального тока Советский патент 1992 года по МПК G01R19/06 

(Л

С

Использование: в системах контроля и управления промышленным электрооборудованием. Сущность изобретения: измерительный преобразователь содержит первичные преобразователи напряжения 1 и тока 2, формирователь 3 импульсов, фазовращатель 4, выпрямитель 5, преобразователь 6 напряжение-частота, два реверсивных счетчика 9,10, два блока деления 11, 12. два регистра 13, 14, два элемента И 7, 8, преобразователь 15 период - код и блок 16 управления, в состав которого входят два нуль-органа 20, 21, три триггера 22, 23, 24, элемент И 25, элемент ИЛИ 28, формирователь 29 импульсов, элемент 27 задержки, кнопка 26 и переключатель 30. В данном преобразователе используется преобразование тока в исследуемой цепи в пропорциональную частоту следования импульсов, подвергающихся цифровому интегрированию за определенные временные интервалы и дальнейшей цифровой обработке полученных кодов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электрическим измерениям и может быть использовано в системах контроля и управления промышленным электрооборудованием.

Известен датчик активной и реактивной составляющих тока электрической установки, содержащий интегратор, блок выборки-хранения, фазоповоротный блок, пороговый блок, блок опорного напряжения, блок управления и блок согласования.

Недостатками известного изобретения являются существенно погрешности, обусловленные применением интегратора и особенно блока выборки-хранения, который имеет значительную динамическую погрешность запоминания, зависящую от частоты, и погрешность хранения. Заметную погрешность может вносить и фазоповоротный блок, которая также зависит от частоты

входных сигналов. Не ясно также как исключено в этом изобретении влияние переходных процессов в сети, что может привести к недостоверному результату преобразования.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является измерительный преобразователь активной и реактивной составляющих синусоидального тока, содержащий последовательно соединенные первичный преобразователь напряжения, формирователь импульсов и фазовращатель, а также первичный преобразователь тока, к выходу которого подключены две одинаковые цепочки из последовательно соединенных синхронного детектора и фильтра нижних частот, при этом выход формирователя импульсов подключен к входу управления первого синхронного детектора, выход фазовращателя ч

4 00

о ч

ЧЭ

к входууправления второго синхронногоде- тектора, входы первого и второго первичных преобразователей - к первой и второй входным клеммам, а выходы первого и второго фильтров нижних частот - к первой и второй выходным клеммам устройства.

Недостатками данного устройства является низкая точность преобразования, обусловленная применением синхронных детекторов и особенно фильтров низких час- тот, имеющих сравнительно большие погрешности, которые к тому же зависят от диапазона частот, и большое время (или низкое быстродействие) преобразования, обус- повленное временем переходных процессов в фильтрах нижних частот, которое занимает 15-20 периодов входных сигналов.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в измерительный преобразователь активной и реактивной составляющих синусоидального тока, содержащий последовательно соединенные первичный преобразователь напряжения, формирователь импульсов и фазов- ращатель, а также первичный преобразователь тока, причем входы первого и второго первичных преобразователей подключены к первой и второй входным клеммам, введены выпрямитель, преобразователь напряжение-частота, первый и второй трехвходовые элементы И, первый и второй реверсивные счетчики, первый и второй блоки деления, первый и второй регистры, преобразователь период-код и блок управления, при этом выходы фор- мирователя импульсов и фазовращателя подключены к первым входам соответственно первого и второго элементов И, вторые входы которых и вход преобразователя период-код объединены между собой и подключены к первому выходу блока управления, третьи входы первого и второго элементов И соединены с выходом преобразователя напряже- ние-частота, подключенного по входу через выпрямитель к выходу первичного преобра- зователя тока и к входу блока управления, выходы первого и второго элементов И соединены со счетными входами первого и второго реверсивйых счетчиков, входы реверса которых объединены между собой и под- ключены к второму выходу блока управления, а информационные выходы первого и второго реверсивных счетчиков соединены с первыми информационными входами первого и второго блоков деления, вторые ин- формационные которых объединены между собой и подключены к выходу преобразователя период-код, входы управления первого и второго блоков деления соединены с третьим выходом блока управления, а к информационным выходам подключены первый и второй регистры, выходы которых яв- ляются первым и вторым выходами устройства.

Поставленная цель достигается также тем, что блок управления содержит первый и второй нуль-органы, первый, второй и третий триггеры, двухвходовый элемент И, трехвходовый элемент ИЛИ, формирователь импульсов, элемент задержки, кнопку Пуск и переключатель Режим работы, при этом вход блока управления подключен к объединенным входам первого и второго нуль-органов, выход первого нуль-органа соединен с S-входом второго триггера и вторым входом элемента И, первый вход которого подключен к прямому выходу третьего триггера, а выход элемента И соединен со счетным входом первого триггера, прямой выход которого является первым выходом блока управления, выход второго нуль-органа подключен к R-входу второго триггера, прямой выход которого служит вторым выходом блока управления, а инверсный выход первого триггера соединен с точкой, объединяющей третий выход блока управления, R-вход третьего триггера и подвижный контакт переключателя Режим работы, первый неподвижный контакт которого разомкнут, второй неподвижный контакт переключателя через элемент задержки подключен к второму входу элемента ИЛИ, соединенного первым входом с кнопкой Пуск, третьим входом с клеммой Внешний запуск и выходом через формирователь импульсов с S-входом третьего триггера.

Предлагаемый измерительный преобразователь активной и реактивной составляющих синусоидального тока отличается введением новых блоков: выпрямителя, преобразователя напряжение -частота, двух реверсивных счетчиков, двух блоков деления, двух регистров, преобразователя период-код, блока управления и двух трехвхо- довых элементов И, а также функциональных связей между введенными и известными блоками.

К ограничительным признакам предлагаемого изобретения отнесены первичные преобразователи напряжения и тока, формирователь импульсов и фазовращатель на 90°.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в нем используется преобразование тока, активная и реактивная составляющие которого измеряются, в пропорциональную частоту следования импульсов, подвергающуюся дальнейшей цифровой обработке. Это позаоляет перейти от низкоточных операций синхронного детектирова ния и низкочастотной фильтрации в прото типе к алгебраическому счету импульсов за определенные временные интервалы, что обеспечивает достижение цели и положительного эффекта изобретения.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Измерительный преобразователь активной и реактивной составляющих синусоидального тока содержит первичный преобразователь 1 напряжения, первичный преобразователь 2 тока, формирователь 3 импульсов, фазовращатель 4, выпрямитель 5, преобразователь 6 напряжение-частота, первый и второй трехвходовые элементы И 7, 8, первый и второй реверсивные счетчики 9, 10, первый и второй блоки 11,12 деления, первый и второй регистры 13, 14, преобразователь 15 период-код и блок 16 управления.

Преобразователь 15 период-код включает двухвходовый элемент И 17, генератор 18 образцовой частоты и счетчик 19.

Блок 16 управления содержит первый и второй нуль-органы 20, 21 первый, второй и третий триггеры 22, 23, 24, двухвходовый элемент И 25, кнопку 26 Пуск, элемент 27 задержки, элемент ИЛИ 28, формирователь 29 импульсов и переключатель 30 Режим работы.

Кроме того, на схеме обозначены первая входная клемма 31, вторая входная клемма 32, первый информационный (или кодовый) выход 33 и второй информационный (или кодовый) выход 34, а также клемма 35 внешнего запуска (фиг.1).

Назначение функциональных узлов и элементов устройства однозначно определяется их названиями, все они являются классическими для измерительной и вычислительной техники и могут быть выполнены на стандартных, хорошо разработанных схемах, как правило в интегральном исполнении. Укажем только, что фазовращатель 4 может быть выполнен по схеме, приведенной в 2, прецизионный выпрямитель 5 - по схемам, приведенным в 3.с.117-120, преобразователь 6 напряжение-частота - по схемам 3.с.269-276, 4.с.277-181, 5.с. блоки 11, 12 деления - по схемам матричных делителей 6.с.580-590, 7.С.145, 8.С.79-80.

Преобразователь 15 период-код реализует широко распространенный метод дискретного счета или электронно-г.четный блок 16 управления, так как его построение определяется принципом действия устройства. Остальные узлы и элементы предлагаемого устройств, а также его преобразователя 15 период код и блока 16 управления могут быть выполнены на стандартных, сррийных микросхемах 3, 10.

Вход первичного преобразователя 1

напряжения соединен с первой входной клеммой 31 устройства, выход этого преобразователя подключен к входу формирователя 3 импульсов, выход которого соединен

0 сточкой, объединяющей вход фазовращателя 4 и первый вход первого трехвходового элемента И 7, а выход фазовращателя подключен к первому входу второго трехвходового элемента И 8. Вторые входы первого и

5 второго элементов И 7, 8 и вход преобразователя 15 период-код объединены между собой и подключены к первому выходу блока 16 управления. Вход первичного преобразователя 2 тока соединен с второй

0 входной клеммой 32 устройства, выход преобразователя подключен к входу блока 16 управления и через последовательно соединенные выпрямитель 5 и преобразователь 6 напряжение-частота подключен к третьим

5 входам элементов И 7, 8, выходы которых соединены со счетными входами реверсивных счетчиков 9, 10 соответственно. Входы реверса (управления режимами работы - суммирование или вычитание) реверсивных

0 счетчиков 9, 10 объединены между собой и подключены к второму выходу блока 16 управления, их информационные (кодовые) выходы соединены с первыми информационными входами первого и второго блоков

5 11, 12 деления, вторые информационные входы которых подключены к выходу преобразователя 15 период-код, входы управления (или разрешения) - к третьему выходу блока 16 управления, а информационные

0 (кодовые) выходы - к первому и второму выходным регистрам 13, 14. Выходы регист- ров 13, 14 являются первым и вторым информационными (или кодовыми) выходами устройства 33, 34.

5Первый вход элемента И 17 является

входом преобразователя 15 период-код, второй вход элемента И 17 соединен с выходом генератора 18 образцовой частоты, а его выход подключен к входу счетчика 19,

0 информационный (или кодовый) выход которого служит выходом преобразователя 15 период-код.

В блоке 16 управления входы нуль-органов 20, 21 объединены между собой и под5 ключены к его входу. Кнопка 26 Пуск, выход элемента 27 задержки и клемма 35 Внешний запуск соединены с первым, вторым и третьим входами элемента ИЛИ 28, выход которого через формирователь 29 импульсов подключен к S-входу третьего

триггера 24 и к шине сброса (на схеме не показана, чтобы не загромождать чертеж очевидными связями), Прямой выход триггера 24 соединен с первым входом элемента И 25, второй вход которого объединен с S- входом второго триггера 23 и подключен к выходу первого нуль-органа 20. Выход элемента И 25 соединен со счетным входом первого триггера 22, прямой выход которого является первым выходом блока 16управле- ния, а его инверсный выход соединен с третьим выходом блока 16 управления, R- входом триггера 24 и подвижным контактом переключателя 30, первый неподвижный контакт которого разомкнут, а второй неподвижный контакт подключен к входу элемента 27 задержки.

Выход второго нуль-органа 21 подключен к R-входу второго триггера 23, прямой выход которого служит вторым выходом блока 16 управления.

Измерительный преобразователь работает следующим образом.

Напряжение u(t) и ток i(t) (фиг.2, а) контролируемой сети переменного тока подаются на входные клеммы 31, 32 и с них на первичные преобразователи 1, 2 соответственно С выхода первичного преобразовате- ля 1 напряжение ui(t) поступает на формирователь 3 импульсов, на выходе которого образуются прямоугольные импульсы (фиг.2, б), их длительность равна половине периода Т входных сигналов, т.е. Т/2. Выходные импульсы формирователя 3 подаются на вход фазовращателя 4 и на первый вход элемента И 7. Фазовращателем 4 осуществляется сдвиг на 90° прямоугольных импульсов с выхода формирователя 3, и его выходные импульсы (фиг.2, в) поступают на первый вход элемента И 8. На вторые входы элементов И 7, 8 в исходном состоянии подается запрещающий сигнал (сигнал низкого уровня) с первого выхода блока 16 управления.

В первичном преобразователе 2 входной ток с сохранением фазы нормируется и преобразуется в пропорциональное напряжение uaft), которое поступает через выпрямитель Была преобразователь 6 напряжение-частота. С выхода преобразователя 6 импульсы с частотой f(t), пропорциональной напряжению U2(t), а следовательно, току I l(t) I , подаются на третьи входы элементов И 7, 8, но через них не проходят, гак как они закрыты по второму входу.

В блоке 16 управления выходное напряжение U2(t) первичного преобразователя 2 подается на входы нуль-органов 20, 21, первый из которых выделяет переходы напряжения U2(t) через нуль из отрицательной

области в положительную (моменты време ни t2, tf,.., на фиг. 2, а), а второй нуль-орган 21 выделяет моменты перехода напряжения U2(t) через нуль из положительной области в

отрицательную (моменты времени ts, te,... на фиг.2, а). С выхода нуль-органа 20 импульсы поступают на S-вход триггера 23, переключая его в единичное состояние, и на второй вход элемента И 25, а с выхода нуль-органа

0 21 - на R-вход триггера 23, возвращая его в нулевое состояние. Триггер 23 поочередно срабатывает от выходных импульсов нуль- органов 20, 21, и сигнал на его прямом выходе определяет полярность напряжения

5 U2(t)(n тока i(t), этот сигнал по второму выходу блока 16 управления поступает на входы реверса реверсивных счетчиков 9, 10.

В режим измерений (или преобразования) устройство переводится сигналом

0 Пуск, причем возможны либо разовый или ручной режим (в этом случае запуск осуществляется нопкой 26 Пуск), либо автоматический режим (в этом случае запуск осуществляется автоматически по сигналу

5 окончания цикла измерения, поступающему с инверсного выхода триггера 22 через переключатель 30, установленный во второе состояние Авт.), либо внешний запуск (в этом случае запуск осуществляется импуль0 сами, поступающими по клемме 35 Внешний запуск) при работе устройства в системе автоматического контроля. Рассмотрим работу устройства в режиме разовых измерений, а затем укажем отличия

5 при двух других режимах.

В режиме разовых измерений устройства переключатель 30 Режим работы устанавливается в первое состояние Ручн. и запуск устройства осуществляется кнопкой

0 25 Пуск, при нажатии которой на выходе формирователя 29 импульсов генерируется импульс (пусть это будет момент времени to на фиг,2, г), поступающий на S-вход триггера 24, переводя его в единичное состояние. Сиг5 нал высокого уровня с прямого выхода триггера 24 открывает элемент И 26 по первому входу, и после этого первый же импульс с выхода нуль-органа 20 (момент времени п) проходит через элемент И 25 на счетный вход

0 триггера 22, устанавливая его в единичное состояние. Сигнал высокого уровня с прямого выхода триггера 22 (фиг.2, г) поступает по первому выходу блока 16 управления на вторые входы элементов И 7, 8, открывая их по

5 второму входу.

Вторым выходным импульсом нуль-органа 20 (момент времени t), поступающим через открытый элемент И 25 на счетный вход триггера 22, этот триггер устанавливается в исходное, нулевое состояние и сигналом низкого уровня с его выхода элементы И 7, 8 закрываются по второму входу. Сигнал высокого уровня с инверсного выхода триггера 22 поступает на R-вход триггера 24, на третий выход блока 16 управления и на подвижный контакт переключателя 30 Режим работы. Триггер 24 устанавливается в исходное, нулевое состояние, закрывая сигналом низкого уровня с прямого выхода элемента И 25 по первому входу. О назначении сигнала с третьего выхода блока 16 управления будет сказано ниже.

Таким образом, элементы И 7, 8 сигналом с первого выхода блока 16 управления (или с прямого выхода триггера 22) открываются по второму входу на время, равное периоду Т входных сигналов (фиг.2, г). В этом интервале откроются по первому входу элемент И 7 сигналом, поступающим с выхода формирователя 3 импульсов (фиг.2, д), и элемент И 8 сигналом, поступающим с выхода фазовращателя 4 (фиг.2, е).

При открытом состоянии элементов И 7, 8 по первому и второму входам на их выходы по третьему входу будут поступать импульсы с выхода преобразователя 6 напряжение-частота на счетные входы реверсивных счетчиков 9, 10, где они суммируются (или интегрируются) алгебраически. Это достигается тем, что при l(t) 0 реверсивные счетчики 9,10 работают на вычитание, а при i(t) 0 реверсивные счетчики 9, 10 работают на сложение. Режим работы реверсивных счетчиков 9, 10 (суммирование или вычитание) задается сигналом, поступающим на их входы реверса по второму выходу блока 16 управления (с прямого выхода триггера 23). Импульсы, поступающие на реверсивные счетчики 9, 10 на суммирование, показаны положительными, а поступающие на вычитание - отрицательными (фиг.2, д, е),

Количество импульсов, записанных в реверсивных счетчиках 9, 10, определяется соответственно выражением:

Т/2

Na /0 f(t)dt;

ЗТ/4

Np /0 f(t)dt.

Частота импульсов на выходе преобразователя 6 напряжение-частота

f(t) К,„ Кв Кпнч l(t) ,(3)

где

i(t) - In Sin( (t f)

-синусоидал ный ток в контролируемой це пи, Im, (о, р - с -лветственно его амплитуда, круговая частота и фазовый сдвиг по отно шению к напряжению u(t); Кпт - коэффициент передачи первичного

преобразователя 2 тока;

Кв - коэффициент передачи выпрямителя 5;

Кпнч - коэффициент передачи преобра- зователя 6 напряжение-частота.

Подставляя равенства (3), (4) в выражение (1), получим

Т/2 15Nl Кг,т Кв Кпнч1т J 81п(йЛ-у)оЧ1

Кпт KB Кпнч Im до 2COS Kl la,

(5)

20 где la Im cos p - активная составляющая тока;

Kl - Кпт KB Кпнч Т/ Ж

(6)

25 - коэффициент пропорциональности, зависящий от периода Т входных сигналов.

Аналогично, подставляя равенства (3,4) в выражение (2), имеет

30зт/4

N2 Кпт Кв Кпнч Im / Sln(ftj t- p)dt Kl lp, (7) T/4

где p Imsln p- реактивная составляющая

35 тока.

Таким образом, коды NI и Na, полученные в реверсивных счетчиках 9, 10, пропорциональны активной 1а и реактивной р составляющим тока, но они зависяттакже от

40 периода Т входных сигналов. Для исключения этой зависимости коды NI, N2 с информационных выходов реверсивных счетчиков 9 и 10 подаются на первые информационные входы блоков 11 деления, на вторые

45 информационные входы которых поступает код с преобразователя 15 период-код.

В преобразователе 15 период-код образуется код NT периода Т входных сигналов. Для этого элемент И 17 открывается по

50 первому входу сигналом с первого выхода блока 16 управления, длительность которого равна Т (фиг.2, г). За это время через элемент И 17 по его второму входу поступит на вход счетчика 19 число импульсов с гене55 ратора 18 образцовой частоты f0:

NT Т to

(8)

(4)

На первые информационные входы (входы делимого) блоков 11, 12делрния под

аются коды NI, N2 соответственно с информационных выходов реверсивных счетчиков 9, 10, а на их объединенные вторые информационные входы (входы делителя) - код NT с выхода преобразователя 15 период-код (с выхода его счетчика 19). Сигналом с третьего выхода блока 16 управления, поступающим на входы управления (или входы разрешения) блоков 11,12 деления, осуществляется ввод кодов по информационным входам блоков 11 и 12 деления и выполнение операции деления. На выходах блоков 11 и 12 деления образуются соответственно коды

Na Ni/NT;

NP N2/NT.

Подставляя в эти формулы выражения (5), (70 с учетом равенства (6) и соотношения (80), получим

Na Kfa.

No К,:

Кпт Кв Кпнч

где К ---г - коэффициент передалТо

чи устройства.

Коды Na и Np, пропорциональные активной а и реактивной р составляющим тока, с выходов блоков 11, 12 деления записываются в выходные регистры 13, 14 соответственно, с которых они могут быть сняты через выходы 33 и 34 устройства либо для отображения результатов измерения, либо для использования по другому назначению.

В режиме автоматических измерений переключатель 30 Режим работы устанавливается во второе состояние - Авт. В этом случае первый цикл измерений задается либо кнопкой 26 Пуск, либо сигналом внешнего запуска по входной клемме 35, а каждый последующий цикл измерений - сигналом, поступающим с инверсного выхода триггера 22 через переключатель 30, элемент 27 задержки, элемент ИЛИ 28 и формирователь 29 импульсов на S-вход триггера 24. В остальном работа устройства полностью повторяется, как в разовом режиме.

Формула изобретения 1. Измерительный преобразователь активной и реактивной составляющих синусоидального тока, содержащий последовательно соединенные первичный преобразователь напряжения, формирователь импульсов и фазовращатель, а также первичный преобразователь тока, причем входы первого и второго первичных преобразователей соединены с входными клеммами устройства, о т- л ича ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия преобразования,

дополнительно введены выпрямитель, преобразователь напряжение-частота, два элемента И, два реверсивных счетчика, два блока деления, два регистра, преобразователь

период - код и блок управления, при этом выходы формирователя импульсов и фазовращателя соединены с первыми входами соответственно первого и второго элементов И, первый выход блока управления соеди0 нем с вторыми входами элементов И и входом преобразователя период - код, выход преобразователя напряжениеч-астога соединен с третьими входами первого и второго элементов И, выход первичного

5 преобразователя тока соединен с входом блока управления и входом выпрямителя, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение-частота, выходы первого и второго элементов VI соединены со счетны0 ми входам 1 первого и второго реверсивных счетчиков, второй выход блока управления соединен с входами обратного счета первого и второго реверсивных счетчиков, информационные выходы которых соединены с

5 первыми информационными входами соответственно первого и второго блоков деления, выход преобразователя период - код соединен с вторыми информационными входами первого и второго блоков деления,

0 третий выход блока управления соединен с входами управления первого и второго блоков деления, информационные выходы которых соединены с входами первого и второго регистров, выходы которых являют5 ся первым и вторым выходами устройства.

два нуль-органа, три триггера, элемент И,

элемент ИЛИ, формирователь импульсов,

0 элемент задержки, кнопку Пуск и переключатель Режим работы, причем входы первого и второго нуль-органов объединены и являются входом блока управления, выход первого нуль-органа соединен с входом ус5 тановки второго триггеров и вторым входом элемента И, прямой выход третьего триггера соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен со счетным входом первого триггера, прямой

0 выход которого является первым выходом блока управления, выход второго нуль-органа соединен с входом сброса второго триггера, прямой выход которого является вторым выходом блока управления, инверс5 ный выход первого триггера является третьим выходом блока управления и соединен с входом сброса третьего триггера и подвижным контактом переключателя Режим работы, неподвижный контакт которого через элемент задержки соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход кнопки Пуск соединен с первым входом элемента ИЛИ, клемма Внешний запуск соединена с треть

l/ttl

J5

внешний

зал ус

им входом элемента ИЛИ, выход которого соединен через формирователь импульсов с входом установки третьего триггера.

fy™ Cfycc

-К Режим

4g/f 06p/r t

и

t