Устройство для определения коэффициента несимметрии трехфазного напряжения Советский патент 1992 года по МПК G01R29/16 

Изобретение относится к вычислительной и информационно-измерительной технике и может использоваться для определения коэффициента несимметрии трехфазного нап зяжения в электрических сетях, отличающихся широким диапазоном изменения частоты (от 5 до 80 Гц), в частности устройство может использоваться без дополнительной настройки в сетях с частотой 50 или 60 Гц, а также в автономных энергосистемах.

Известно устройство для определения напряжения прямой и обратной последовательностей 1, содержащее три блока преобразования переменного напряжения в постоянное, сумматоры и формирователи модуля,

Недостатком этого устройства является большая его погрешность при больших значениях коэффициента несимметрии.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей системы многофазных напряжений 2, содержащее полюсовой частотно-избирательный фильтр, потенциометрический преобразователь числа фаз, многофазный выпрямитель, ш лрокополосный усилитель мощности переменной составляющей выпрямленного напряжения, преобразователь переменного напряжения в постоянное по уровню амплитудного значения, блок измерения постоянной составляющей выпрямленного напряжения, индикаторы напряжений прямой и обратной последовательностей.

Недостатком прототипа является его невысокая точность при больших отклонениях частоты контролируемой сети. Обусловлено это тем, что полосовой частотно-избирательный фильтр и широкополосный усилитель мощности имеют максимальный коэффициент передачи только на резонансной частоте 50 Гц. При отклонении частоты сети от номинального значения коэффициента передачи фильтра и усилителя уменьшается, что и является причиной увеличения погрешности устройства.

Цель изобретения - повышение точности и расширение частотного диапазона напряжения контролируемой сети.

Положительный эффект от использования изобретения заключается в более высокой точности определения коэффициента несимметрии, практически неизменной в диапазоне частот напряжения сети 5-80 Гц, что позволяет использовать устройство в автономных энергосистемах, а также в сетях с разными номинальными частотами, например 50 и/ти 60 Гц.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей системы многофазных напряжений, содержащее три входных фазных зажима, которые подключены к фазам А, В С контролируемой сети, преобразователь числа фаз, выходы которого соединены с входами многофазного выпрямителя, дополнительно введены четыре фильтра низкой частоты, усилитель., блок измерения, блок регистрации и блок синхрО :изациу1 причем входы преобразователя чис.па фаз подключены соответственно мере:: первы --,,

5 второй и третий фильтры Hi-iSK; i частоты ;, фазным зажимам А, В, С, выход MHOI фазного выпрямителя через последовательно соединенные четвертый фильтр низкой частоты и усилитель связан с информационным

0 входом блока измерения, информзционнь: выход которого соединен с информационным входом блока регистрации, один из фазных зажимоа, например С, соеди.леи и первым входом блока синхрониг пгм; вти5 рой вход которого подключен к перцсиу улравляищему выходу блока измереьин, второй упрааляющу1й выход которого соединен с третьи.; входом блока синхронизаци:,.-. первый выход которого .ан с пеььЫ:.,

0 входом запис блока регистрации, вюрол вход записи которого подключен к второму выходу блока синхронизации.

Многофазный выпрямитель содержит группу идеальных диодов отрицательной

5 полярности, входы которых подключена к входам многофазного выпрямителя, а выходы обьединены и со д 1нень; :. входог: иь вертора, выход которого через идеальны;,диод, полох ите/ ьной полярности соединен с выходом многофазного выпрямителя и с объединенными выходами группы идеальных диодов положительной полярности, входы которых подключены к входам многофазного выпрямителя.

5Блок измерения содержит аналого-цифровой преобразователь, вход которого подключен к входу блока измерения, а информационный выход соединен с первым входом числового компаратора и информационным входом регистра, выход которого соединен с вторым входом числового компаратора, выходы которого Больше и Меньше соединены соответственно с входами первого элемента И-НЕ, а также входами

5 установки нуля и единицы триггера, выходы которых через третий и четвертый одновибраторы соединены с входами второго элемента И-НЕ, выход которого соединен с вторым управляющим выходом блока измерения и с инверсным входом пято j одновибратора, выход которого соединен с входом установки нуля двоичного счетчика, выход которого соединен с информационным выходом блока измерения, а тактовый вход подключен к выходу первого элемента И--НЕ, связанному с инверсным входом шестого одновибратора, выход которого соединен с входом записи регистра и первым управляющим выходом блока измерения.

Блок синхронизации содержит нуль-орган, выход которого подкл ючен к первому входу блока синхронизации, а выход соединен с тактовым входом двоично-десятичного счетчика, выход старшего разряда которого соединен с тактовым входом первого триггера, прямой выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, выход которого соединен с первым выходом блока синхронизации и с тактовым входом второго триггера, прямо выход которого соединен с вторым входом второго элемента И и с инверсным входом второго однозибратора, инверсный выход которого соединен с входом установки нуля первого триггера, второй вход блока синхронизации соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с вторым выходом блока синхронизации, третий вход которого соединен с первым входом первого элемента И.

Блок регистрации содержит элемент памяти, адресный вход которого подключен к информационному входу блока регистрации, связанному с информационным входом регистра, выход которого соединен с информационным входом индикатора, а вход записи подключен к первому входу записи блока регистрации, второй вход записи которого соединен с входом записи элемента памяти.

Усилитель содержит сумматор, первый вход которого подключен к входу усилителя, выход которого подключен к выходу сумматора, второй вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства; на фиг.2 - схема идеального диода отрицательной полярности; на фиг.З - схема идеального диода положительной полярности; на фиг.4 - графики изменения напряжения на элементах схемы устройства.

Схема устройства (фиг.1) содержит три входных фазных зажима А, В, С, которые соединены соответственно через первый 1, второй 2 и третий 3 фильтры низкой частоты (ФНЧ) с входами преобразователя 4 числа фаз, выходы которого через многофазный выпрямитель 5 соединены с входом четвертого ФНЧ 6, выход которого через усилитель 7 соединен с информационным входом блока 8 измерения, информационный выход которого соединен с информационным 5 входом блока 9 регистрации, один из фазных зажимов, например С, соединен с первым входом блока 10 синхронизации, второй вход которого подключен к первому управляющему выходу блока 8 измерения, второй управляющий выход которого соединен с третьим входом блока 10 синхронизации, первый выход которого соединен с первым входом записи блока 9 регистрации, второй вход записи которого

5 подключен к второму выходу блока 10 синхронизации.

Многофазный выпрямитель 5 (фиг.1) содержит группу идеальных диодов 11-22 отрицательной полярности, входы которых

0 подключены к входам многофазного выпрямителя 5, а выходы объединены и соединены с входом инвертора 23, выход которого через идеальный диод 24 положительной полярности соединен с выходом многофазного выпрямителя 5 и с объединенными выходами группы идеальных диодов 25-36 положительной полярности, входы которых подключены к входам многофазного выпрямителя 5,

Блок 8 измерения (фиг.1) содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 37, вход которого подключен к входу блока 8 измерения, а информационный выход соединен с первым входом числового компаратора 38 и информационным входом регистра 39, выход которого соединен с вторым входом числового компаратора 38, выходы которого Больше и Меньше

0 соединены соответственно с входами первого 40 и второго 41 одновибраторов, инверсные выходы которых соединены соответственное входами первого элемента И-НЕ 42, а также входами установки

5 нуля и единицы триггера 43. выходы которого через третий 44 и четвертый 45 одновибраторы соединены с входами второго элемента И-НЕ 46, выход которого соединен с вторым управляющим выходом

0 блока 8 измерения и с инверсным входом пятого одновибратора 47, выход которого соединен с входом установки нуля двоичного счетчика 48, выход которого соединен с информационным выходом блока В измерения, а тактовый вход подключен к выходу первого элемента И-НЕ 42, связанному с инверсным входом шестого одновибратора 49, выход которого соединен с входом записи регистра 39 и первым управляющим выходом блока 8 измерения.

Блок 10 синхронизации (фиг.1) содержит нуль-орган 50, вход которого подключен к первому входу блока синхронизации, а выход соединен с тактовым входом двоично-десятичного счетчика 51, выход старшего разряда которого соединён с тактовым входом первого триггера 52, прямой выход которого соединен с вторым входом первого элемента И 53, выход которого соединен с первым выходом блока синхронизации 10 и о тактовым входом второго триггера 54, прямой выход которого соединен с вторым входом второго элемента И 55 и с инверсным входом второго одновибратора 56, инверсный выход которого соединен с входом установки нуля первого триггера 52, второй вход бпока синхронизации 10 соединен с инверсным входом первого одновибратора 57, выход которого соединен с первым входом второго элемента И 55, выход которого соединен с вторым выходом блока 10 синхронизации, третий вход которого соединен с первым входом первого элемента И 53.

Блок 9 регистрации (фиг.1) содержит элемент 58 памяти, адресный вход которого подключен к информационному входу блока 9 регистрации, связанному с информационным входом регистрации 59, выход которого соединен с информационным входом инди14атсра 60, а вход записи подключен к первому входу записи блока 9 регистрации, .Итерой вход записи которого соединен с bxoflONf записи элемента 58 памяти.

Усилитель 7 (фиг;1) содержит сумматор 61, nepafcfS вход которого подключен к входу усилителя 7, выход которого подключен к DbjxoAy сумматора 61; второй- вход которого подключен к выходу источника 62 опорного напряжения,. . .

Схема преобразователя числа фаз 4 (фиг.)) содержит сумматоры 63-71, выполн.енные-на операционных усилителях.

Схемы идеальных диодов отрицательной полярности 11-22 идентичны и каждая из них (фиг.2) содержит соединенный неинвертирующим входом с входом идеального дмода, например 11, первый операционный усилитель 72, выход которого соединен о катодом пэрвого диода 73, анод которого соединен с выходом идеального диода 11 и е инвертирующим входом первого операционного усилителя 72.

Схемы идеальных диодов положитйлъной полярности24-36идентичны 1;каждая из них (фиг.З) содержит соединенный неинзертирующим входом с входом идеального диода, например 24, второй операционный усилитель 74г выход которого соединен с анодом второго диода 75, катод

которого соединен с выходом идеального диода 24 и с инвертирующим входом второго операционного усилителя 74.

Устройство работает следующим образом.

На входы А, В, С подаются фазные напряжения контролируемой сети частотой, например 50 Гц, с вторичной обмотки трехфазного понижающего трансформатора (на фиг.1 не показан), первичная и вторичная обмотки которого соединены в звезду. С помощью ФНЧ 1-3, имеющих одинаковую частоту среза fci 90 Гц и невысокую добротность, .из входных фазных напр; жений исключаются составляющие высших г юмоник.

С помощью преобразователя числа фаз 4 трехфазная система входных напряжений преобразуется в многофазную (в рассмат риВаемом на фиг.1 в качестве примера устройства в 12-фазную). Для обеспечения одинаковых модулей векторов выходных напряжений преобразователя числа фаз 4 коэффиц-11енты передачи операцисчмных усилителей 63-65 задаются равными 1, а опевационных усилителей 66-71 - равными 1/V3.

Положительные полуьолны 12-фа;-:ногс напряжения преобразователя числа фаз : пропускаются в точку а (на фход ФНЧ 6} через группу идеальных диодов 25-36 положительной полярности. Отрицательные полуволнь 12-фазного напряжения преобразователя числа фаз 4 пропускаются в точку Ь через группу идеальных диодов 11-22 отрицательной полярности, затем отрицательное напряжение точки b инвертируется инвертором 23 м через ядеальный диод 24 положительной полярности подается в точку а. В результате в точке а формируется напряжение по огибающим амплитудных значений напряжений преобразователя числа фаз 4 после их двухполупериодного выпрямлени,. При отсутствии несимметрии напряжения в контролируемой трезфазной сети напряжение Ua в точке а представляло бы собой прямую линию, пульсирующую с частотой

frri 2xnxfc 2x12x50 1200 Гц, (1), где-п - число фйз на выходе преобразователя числа фаз 4;

fc 660 Гц - частота контролируемой сети,

Это напряжение пропускается через ФНЧ 6, имеющий частоту среза fc2 1000 Гц, к полностью сглаженное подается на первый вход сумматора 61. На второй вход сумматора 61 подгется опорное напряжение U62 с выхода источника опорного на|;ряжеиия 62, которое задается равным (или ниже) минимально возможному значению амплитуды фазного напряжения сети.

При появлении несимметрии напряжения сети выходное напряжение ФНЧ 6 начинает пульсировать с удвоенной частотой сети, т.е. с частотой 100 Гц (фиг.4), причем размах этих 100-герцевых пульсаций пропорционален коэффициенту несимметрии трехфазного напряжения.

Выходное напряжение сумматора 61, используемого для повышения чувствительности устройства, подается на вход АЦП 37. В С зме устройства используется АЦП 37 следящего типа, выходной код которого изменяется после изменения входного сигнала на ширину младшего значащего разряда Аи. Например, а нулевой момент времени (фиг.4), соответствующий минимальному значению напряжения Ue, на выходе АЦП 37 был код 0011; в регистре 39 также в этот момент хранится код 0011. С течением времени напряжение Ue нарастает, после изменения этого напряжения на шнрйну шaдшero значащего разряда Дикодна выходе АЦП 37 увеличивается на единицу и становится равным 0100. При такой ситуаций оказывается, что код числа на первом входе числового компаратора 38 становится больше кода числа на втором входе числового компаратора 38. При этом на выходе Больше числового компаратора 38 появляется единичное напряжение, запускающее одновибратор 40, на выходе которого появляется отрицательный импуяЬс напря 1 ения(т.в. провал напряжения от единичного уровня до нуля). Этот отрицательн 1й импульс напряжения преобразуется элементом И-НЕ 42 в единичный импульс напряжения, который своим Задним фронтом выполняет две операции: 1) увеличивает на единицу содержимое счетчика 48, которое становится равным 0001; 2) запускает одновибратор 49, который своим выходным импульсом вписывает в регистр 39 код 0100, коды на первом и втором входе числового компаратора 38 выравниваются, и напряжение на выходе Больше становится равным нулю. Задним фронтом выходного имяульса одновибратора 49 запускается одновибрато;э 57, выходной импульс которого прикладывается к первому входу элемента И 55. Учитывая, что к второму входу элемента И 55 приложено нулевое напряжение с выхода триггера 54, никаких других изменений в схеме устройства не происходит. При дальнейшем нарастании напряжения Ue и увеличении его еще на Аи происходит аналогичная операция: код

АЦП 37 становится равным 0101 - срабатывают числовой компаратор 38 и одновибратор 40 - на единицу увеличивается содержимое счетчика 48, оно становится равным 0010- выравниваются коды на входах числового компаратора 38 и т.д. При переходе напряжения Ue через экстремум в счетчике 48 накапливается содержимое, пропорциональное размаху между максимальным и минимальным значениями. При достаточном снижении напряжения Об после прохождения экстремума код на выходе АЦП 37 становится меньше кода на выходе регистра 39 - в результате появляется единичное напряжение на выходе Меньше числового компаратора 38, которое запускает одновибратор 41. Выходной отрицательный импульс одновибратора 41 опрокидывает триггер 43 из нулевого состояния в единичное, при этом запускается одновибратор 44, выходной отрицательный импульс которого преобразуется элементом И-НЕ 46 в единичный. Задним фронтом выходной импульс элемента И-НЕ 46 запускает одновибратор 47, который своим выходным импульсов обнуляет счетчик 48. После обнуления счетчик 48 снова начинает заполняться, измеряя значение очередного размаха непрйжения Us, пропорционального коэффициенту несимметрии.

Содержимое блока 58 и регистра 59 изменяется в моменты выборки коэффициента несимметрии череэ 1с.

Выборка осуществляется следующим образом.

Нуль-органом 50 синусоидальное напряженме сети преобразуется в прямоугольное напряжение частотой 50 Гц. Это напряжение поступает на вход двоично-десятичного счетчика 51, имеющего емкость 50. Один раз в 1 с на выходе счетчика 51 появляется отрицательный перепад напряжения, переводящий триггер 52 в единичное состояние. Единичное напряжение с прямого выхода триггера 52 прикладывается к второму входу элемента И 53. При прохождении напряжением Ue очередного экстремума на выходе элемента Й-НЕ 46 появляется единичный импульс, который проходит через элемент И 53 и выполняет две операции: 1) переводит триггер 54 в единичное состояние, выходное напряжение которого прикладывается к второму входу элемента 1/1 55; 2) вписывает: в регистр 59 содержимое счетчика 48, которое пропорционально коэффициенту несимметрии. Содержимое регистра 59 отображается на цифровом индикаторе 60. По окончании импульса на выходе элемента И 53 содержимое счетчика 48 обнуляется. Последующее изменение напряжения UG приводит к последовательному изменению кода на выходе счетчика 48: 0001, 0010,0011 и т.д. Причем после установления каждого нового кода с некоторой задержкой (равной длительности выходного импульса одновибратора 49) выполняется последовательное увеличение на единицу содержимого каналов элемента памяти 58 с адресами 0001, 0010, 0011 и т.д. Управление записью информации D элементе памяти 58 выполняется импульсом одновибратора 57, прохходящим через элемент И 55 на вход записи элемента памяти 58,

При наступлении очередного экстремума напряжения Ue на выходе элемента И 53 вновь появляется импульс, который своим задним фронтом переводит триггер 54 в нулевое состояние. Спадая, выходное напряжение триггера 54 запускает одновибр,чтор 56, который своим импульсом возвращает s нулевое состояние триггер 52. В результагз до следующей выборки через 1 с тригге1 ы 52 и 54 блокируют нулевым напряжением СЕзоих выходов элементы И 53 и 55.для про хождения через них управляющих импульсов.

По окончании времени статанализа. которое может составлять I ч, смену, сутки и т.д.) по содержимому элемента 68 памяти строится функция распределения коэффициента несимметрии трехфазного напряжения.

Формулаизобретения

1. Устройство для определения коэффиииента несимметрии трехфазного напряжения, содержащее три входных фазных зажима, которые подключены к фазам А, В, С контролируемой сети, преобразователь числа фаз, выходы которого соединены с входами многофазного выпрямителя, о т /1 и чающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения частотного диапазона напряжения контролеруемой сети, в него дополнительно введены четыре фильтра низкой частоты, усилитель, блок измерения, блок регистрации и блок синхронизации, причем входы преобразователя числа фаз подключены соответственно через первый, второй и третий фильтры низкой частоты к фазным зажимам А, В, С выход многофазного выпрямителя через последовательно соединенные четвертый фильтр низкой частоты и усилитель связан с информационным входом блока измерения, информационный выход которого соединен с одноименным входом блока регистрации, один из фазных зажимов соединен с первым входом блока синхронизации, второй вход которого подключен к первому управляющему выходу блока измерения, второй управляющий выход которого соединен с третьим входом блока синхронизации, первый выход которого соединен г, первым входом записи блока регистраци54, второй вход записи которого подключен к второму выходу блока синхронизации.

2.Устройство по П.1, о т л и ч а ю щ е 6с я тем. что многофазный выпрямитель содержит группу идеальных диодов отрицательной полярности, группу идеальных диодов положительной полярности, после довательно соединенные инвертоо и идеальный диод положительной ПОЛ ;НОСТИ,

выход которого соединен с выходом , ногофазного выпрямителя и с объединенными выходами группы идеальных диодов положительной полярности, входы которой подключены к входам многофазного выпрямителе и входам группы идеальных диодов отрицательней полярности, выхоуцы которой o5ъeди ieны и подключены к входу инвертора.

3./стройство по П.1, о т л и ч э ю щ е ес я тем, что блок измерения содержит аналого-цифрооой преобразователь, числовой компаратор, оегистр, шесть иднов ц аторов, триггер, два элемента М-НЕ и двоичный счетчик, выход которого соединен с информационным выходом блока измерения, а тактовый вход и вход установки нуля - соответственно с выходом первого элемента И-НЕ и выходом пятого одновибратора, инверсный вход которого соединен с выходом второго элемента И-НЕ и вторым управляющим выходом блока измерения, инверсные выходы третьего и четвертого инверторов соединены соответственно с первым и вторым входами второго элемента И-НЕ, а входы - соответственно с прямым и инверсным выходами триггера, вход установки нуля которого соединен с инверсным выходом первого одновибратора и первым входом первого элемента И-НЕ, а вход установки единицы - с инверсным выходом второго одновибратора и вторым входом первого элемента И-НЕ, входы первого и второго одновибраторов соединены соответственно с выходами Больше и Меньше числового компаратора, первый вход которого подключен к информационному вьходу аналого-цифрового преобразователя непосредственно, а второй - через регистр, вход записи которого соединен с первым управляющим выходом блока измерения и выходом шестого одновибратора, инверсный вход которого подключен к выходу первого элемента И-НЕ, ехо;г анало

Использование: в вычислительной и информационно-измерительной технике, для определения коэффициента несимметрии трехфазного напряжения. Сущность изобретения: устройство содержит три входных фазных зажима А, В и С, четыре фильтра 1-3 и 6 низкой частоты, преобразователь 4 числа фаз, многофазный выпрямитель 5, усилитель 7, блок 8 измерения, блок 9 регистрации, блок 10 синхронизации. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.^00оg00