Устройство для измерения активной и реактивной мощности Советский патент 1992 года по МПК G01R21/133 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике и энергетике, например, для реализации измерительных преобразователей активной и реактивной мощности. Известно устройство для измерения активной л реактивной мощности, содержащее дискретные преобразователи напряжения и тока, блоки дискретизации входных сигналов, ячейки памяти, комбинационные сумматоры, накапливающие сумматоры и умножители 1. Недостатком известного устройства является его сложность и низкая точность. Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения активной и реактивной мощности, содержащее калиброванный резистор, аналого-цифровой преобразователь, коммутатор, регистр, перемножитель, накапливающие сумматоры и блок управления, содержащий нуль-орган, генератор опорной частоты, счетчик, элемент задержки, регистр, схему сравнения кодов и триггеры 2. Недостатком прототипа является низкая точность преобразования реактивной мощности. Действительно, для синусоидальных входных сигналов U(t) UmSin (Di, i(t) ImSin ((){ + при постоянном ЧИСЛб n их дискретизаций за период () показания активной и реактивной мощности соответственно равны; Р2 knImUmCoS (f) . Q2 k ж ImUmSin р где k - коэффициент пропорциональности. Иначе говоря, максимальное показание Р2 (при Cos р превышает максимальное показание Q2(при Sin у 1) в п/я раз, где . Целью изобретения является повышение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения активной и реактивной мощности, содержащее калиброванныйрезистор.первый аналого-цифровой преобразователь, перемножитель, первый и второй накапливающие сумматоры, нуль-орган, генератор опорной частоты, первый счетчик, элемент задержки, регистр , блок сравнения кодов, первый и второй триггеры, причем вход нуль-органа подключен ко входной шине напряжения, вход синхронизации - к выходу генератора опорной частоты, соединенному также со входом первого счетчика, а выход ко входу записи регистра и черрз элемент задержки ко входам установки в нуль первого счетчика, первого и второго триггеров, выходы младших разрядов первого счетчика соединены с первыми входами блока сравнения кодов, выходы старших разрядов - через регистр - со вторыми входами блока сравнения кодов, выход которого подключен к счетному входу первого триггера, прямой выход которого соединен с тактовым входом первого аналого-цифрового преобразователя и входами записи первого и второго накапливающих сумматоров, а инверсный - со входом установки в единицу второго триггера, прямой выход которого подключен к входам установки в нуль первого и второго накапливающих сумматоров, выходы первого аналого-цифрового преобразователя соединены с первыми входами перемножителя, выходы которого подключены ко входам первого и второго накапливающих сумматоров, выходы которых являются выходами устройства, дополнительно введены второй счетчик и второй аналого-цифровой преобразователь. вход которого подключен ко второму выходу калиброванного резистора и к входной шине тока, тактовый вход - к тактовому выходу первого аналого-цифрового преобразователя, а выходы - ко вторым входа.м перемножителя, вход записи которого соединен с инверсным выходом первого триггера, вход второго счетчика соединен с инверсным выходом первого триггера, вход установки в нуль - с прямым выходом второго триггера, а выход старшего разряда - с входом выбора режима работы второго накапливающего сумматора, кроме того, вход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к входной шине напряжения. Выявленные по сравнению с прототипом новые элементы устройства известны из различных источников информации. Так, в частном случае реализации, второй аналого-цифровой преобразователь выполнен по схеме АЦП К1107ПВЗ (см. Басин В.М,, Кучинскас И.Д., Марцинкявич.юс А.-И,К, Сверхбыстродействующие шестиразрядные АЦП К1107ПВЗА,Б.-,Электрон ая промышленность. 1985, r-h 7, с.33, рис.3) с подключенными к нему истонникам /- опорного напряжения. Существенность отличий решения заключается в том. что введение второго аналого-цифрового преобразопателя и второго счетчика обеспечило увеличение точности измерений реактивной мощности в п/.т раз, где п число дискретизаций входных сигналов за период, причем п. л- 3.14. Решений с подобным сочета1-:ием известных элементов не o5 -iapy.iceHO. в связи с чем заявленное решение обладает новизной и существенными отличиями.

На фиг.1 представлена схема устройства для измерения активной и реактивной мощности; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство (фиг.1) содержит калиброванный резистор 1, аналого-цифровые преобразователи 2 и 3. перемножитель 4. накапливающие сумматоры 5 и 6, нуль-орган 7, генератор 8 опорной частоты, счетчики 9 и 10, элемент 11 задержки, регистр 12. блок 13 сравнения кодов, триггеры 14 и 15. Вход аналого-цифрового преобразователя 2 подключен к входной щине напряжения, вход аналого-цифрового преобразователя 3 - через калиброванный резистор - ко входной шине тока. Тактовые входы аналогоцифровых преобразователей 2 и 3 подключены к прямому выходу триггера 14, соединенному также со входами записи накапливающих сумматоров 5 и 6, а выходы соответственно к первым и вторым входам перемножителя 4. Вход записи перемножителя 4 соединен с инверсным выходом триггера 14, а выходы - со входами накапливающих сумматоров 5 и 6. Выходы этих сумматоров являются выходами устройства, а выходы установки в нуль соединены с прямым выходом триггера 15. Выход старшего разряда счетчика 10 подключен ко входу выбора режима накапливающего сумматора 6. Вход нуль-органа 7 подключен к входной шине напряжения, вход синхронизации -- к выходу генератора 8 опорной частоты, соединенному также со входом счетчика 9, а выход - ко входу записи регистра 12 и через элемент 11 задержки - ко входам установки в Нуль счетчика 9 и триггера 14 и 15. Выходы младших разрядов счетчика 9 соединены с первыми входами блока 13 сравнения кодов, выходы старших разрядов - через регистр 12 - со вторыми входами блока 13 сравнения кодов, выход которого подключен к счетному входу триггера 14. Инверсный выход триггера 14 соединен со входом установки в единицу триггера 15 и входом счетчика 10, Выход триггера 15 подключен к входу установки в нуль счетчика 10.

В конкретном реализованном устройстве аналого-цифровой преобразователь 2 аналогичен аналого-цифровому преобразователю 1. Перемножитель 4 построен на основе микросхемы 1В02ВРЗ (бКО.347.253ТУ7), включенной в режим прозрачности входных регистров и разрешения выдачи информации (см. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник/Под ред. В.А.Шахнова. - М.: Радио и связь. 1988, т.2, с.71, рис.12.17).

. Накапливающие сумматоры 5 и 6 построены на основе комбинационного сумматора (см. Алексеенко А,Г., Шагурина И.И, Микросхемотехника, - М.: Радио и связь, 1982, с. 124, рис.3.12.б), выходы которого соединены со входами дополнительного регистра, вход записи которого является входом

0 записи накапливающего сумматора, а выходы выходами последнего и соединены со вторыми входами комбинационного сумматора. Накапливающий сумматор 5 включен в режим сложения,

5В качестве нуль-органа 7 использован

триггер Шмитта с выходом, подключенным к С-входу D-триггера, D-вход которого соединен с шиной питания, а прямой выход и R-вход - соответственно с D-входом и инверсным выходом второго D-триггера, С- и R-входы которого подключены ко входу синхронизации нуль-органа, а прямой выход является выходом нуль-органа.

Схема 13 сравнения кодов построена на

5 основе микросхемы К555СП1 (6КО,348,289 ТУЗ) (см. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной техни. ке: Справочник/Под ред. Б.Н,Файзулаева, Б.В.Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1987,

0 с 355, рис,П2.71).

Измерение активной и реактивной мощности в предлагаемом устройстве производится по каждому периоду сигналов контролируемой электрической сети, выде5 ляемому по соседним переходам напряжения U(t) через нуль в одном направлении, В начале очередного периода Тх (фиг.2.а) нуль-органом 7 формируется импульс (фиг.2,б), синхронизированный с импульсом опорной последовательности с выхода генератора 8 опорной частоты, производящий по своему переднему фронту перенос в регистр 12 кода 1/2 шага ДТх дискретизации входных сигналов из старших разрядов счетчика 9 и установку через некоторое время задержки, определяемое элементом 11, счетчика 9 и триггеров 14, 15 в нулевое состояние, В течение Тх блок 13 сравнивает код ЛТх/2 с текущим кодом

0 младших разрядов счетчика 9, на вход которого поступают импульсы опорной частоты следования с выхода генератора 8, При равенстве кодов вырабатывается импульс, ограничивающий очередную 1/2 шага

5 дискретизации входных сигналов (фиг.2,в). Триггер 14 производит деление частоты следования импульсов с выхода блока 13 сравнения кодов на 2, выделяя тем самым текущие шаги Л Тх дискретизации входных сигналов (фиг.2.г). А счегчик 10 производит деление частоты следования импульсов с выхода триггера 14 на п/2, где п - число uiafOB дискретизации входных сигналов за период, производят тем самым выделение четырех четвертей ri . Гз . П . r/i периода Тх(фиг.2,д). В течение первого полушага очередного Q-ro) шага дискретизации (фиг.2,г; триггер 14 - в нуле) преобразователи 2 и 3 производят выборку и преобразование в цифровой код соответственно текущего значения Uj входного напряжения u(t) и текущего значения ij входного тока i(t), умноженного на сопротивление R калиброванного резистора 1. В течение второго полушага текущего (j-ro) шага дискретизации (фиг.2,г; триггер 14 в единице) преобразователи 2 и 3 переходят в режим хранения. При этом коды Uj и R- ij с их выходов поступают на входы перемножителя 4 и перемножаются им, после чего по положительному фронту на инверсном выходе триггера 14 (отрицательному на прямом выходе триггера 14 - фиг.2,г) код произведения заносится в регистр произведения перемножителя 4. В течение первого полушага следующего 0+1)-го шага дискретизации (фиг.2,г) код произведения Uj и R- ij прибавляется к содержимому сумматора 5 и прибавляется к содержимому сумматора 6, если данный шаг дискретизации принадлежит интервалам п и гз (фиг.2,д), или вычитается из содержимого сумматора 6, если данный шаг дискретизации принадлежит интервалам Г2 и Г4 (фИГ.2,д). В результате указанных операций для j-й точки отсчета мощностей содержимое сумматоров 5 и 6 изменяется соответственно на Р kUmSin W tj-lmSin( ш ti- у5). Q Рили Q -kUmSin a) tj lmSin(r/.) tj-ь (p). (2) где k - коэффициент пропорциональности, a к концу периода Тх при ЛТх«Тх составляет соответственно PI - fl )dt - -cos. -К гТхЛо Тх/2 .11/ Q лт;f о Q да+/;::% о(ол + + ),0(t)dt ; Jm UmSin (f. За время текущего периода Тх входных сигналов 8 счетчике 9 накапливается число Txfo импульсов опорной частотой fo следования с выхода генератора 8. В начале следующего периода входных сигналов содержимое Txfo/2n старших разрядов счетчика 9 переносится в регистр 12 и определяет 1/2 шага дискретизации этого периода. Кроме того, в начале последнего на выходе триггера 15 формируется импульс управления (фиг.2,е), сбрасывающий по своему положительному фронту сумматоры 5, 6 и счетчик 10 в нуль, подготовляя их тем самым к работе в этом периоде. Предлагаемое устройство для измерения активной и реактивной мощности выгодно отличается от прототипа, так как за счет введения второго аналого-цифрового преобразователя и второго счетчика позволяет значительно увеличить точность измерения реактивной мощности. Действительно, как видно из сравнения выражений (1) и (3), с учетом того, что шаг дискретизации в прототипе в два раза длиннее, чем шагдискретизации в предлагаемом устройстве, так как аналого-цифровой преобразователь прототипа должен выполнить в течение шага дискретизации два преобразования, а предлагаемое устройство - только одно, т.е, п 2п, точность измерения активной мощности остается без изменения. Что же касается измерения реактивной мощности, то, как видно из сравнения выражений (1) и (3), точность ее измерения предлагаемым устройством увеличивается по сравнению с точностью измерения в прототипе в Qi/Q2 n/,7z раз, при п 1000 Qi/Q2 100. Увеличение точности измерения реактивной мощности, в свою очередь, приводит к улучшению регулировки вырабатываемой и потребляемой мощности, а следовательно, к экономии электроэнергии. Формула изобретения Устройство для измерения активной и реактивной мощности, содержащее калиброванный резистор, первый аналого-цифровой преобразователь, перемножитель, первый и второй накапливающие сумматоры, нуль-орган, генератор опорной частоты, первый счетчик, элемент задержки, блок сравнения кодов, первый и второй триггеры, причем вход нуль-органа подключен к входной шине напряжения, вход синхронизации - к выходу генератора опорной частоты, со.единенному также с входом первого счетчика, а выход- к входу записи регистра и через элемент задержки - к входам установки в О первого счетчика, первого и второго триггеров, выходы младших разрядов первого счетчика соединены с первыми входами блока сравнения кодов, выходы старших разрядов через регистр - с вторыми входами блока сравнения кодов, выход которого подключен к счетному входу первого триггера, прямой выход которого соединен с тактовым входом первого аналого-цифрового преобразователя и входами записи первого и второго накапливающих сумматоров, а инверсный - с входом установки в 1 второго триггера, прямой выход которого подключен к входам установки в О первого и второго накапливающих сумматоров, выходы первого аналого-цифрового преобразователя соединены с первыми входами перемножителя, выходы которого подключены к входам первого и второго накапливающих сумматоров, выходы которых являются выходами устройства, отличающееся

тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены второй счетчик и второй аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к второму выходу калиброванного резистора и входной шине

тока, тактовый вход- к тактовому входу первого аналого-цифрового преобразователя, а выходы - к вторым входам перемножителя, вход записи которого соединен с инверсным выходом первого триггера и

входом второго счетчика, вход установки в нуль - с прямым входом второго триггера, а выход старшего разряда - с- входом выбора режима работы второго накапливающего сумматора, кроме того,

вход первого аналого-цифрового преобразователя подключен к входной шине напряжения.

Использование: построение измерительных преобразователей активной и реактивной мощностей. Сущность изобретения: устр-во содержит калиброванный резистор 1, два АЦП 2 и 3, перемножитель 4. два сумматора 5 и 6, нуль-орган 7, генератор 8 опорной частоты, два счетчика 9 и 10, элемент задержки 11, регистр 12, блок 13 сравнения кодов, два триггера 14 и 15. 1-3-4-5: 7-11-9-12-13-14-10-6; 8-9-13: 11-14-4; 14-3;14-2: 11-15-6: 14-4-6:2-4.2 ил.М>&'00с•ч looо8СЛ

я lLШLУll.УJUULMMJL .nT ;T T n TivrbrLrLrT;ri r ruTJiJn.