Устройство для измерения электрической мощности трехфазных сетей Советский патент 1993 года по МПК G01R21/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения активной и реактивной мощности или энергии в трехфазных трех- и четырехпроводных сетях переменного тока.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей известного устройства - обеспечение измерения реактивной мощности.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства и его подключение при измерении активной мощности в трехпроводных сетях при отсутствии информации о токе одной фазы (В) и четырехпроводных сетях (отличия показаны пунктиром); на фиг. 2 - подключение устройства при измерении реактивной мощности в трехпроводной сети при отсутствии информации о токе фазы В (остальная часть чертежа остается аналогичной фиг. 1); на фиг. 3 - подключение устройства при измерении реактивной мощности в

четырехпроводной сети (остальная часть чертежа остается аналогичной фиг. 1).

Устройство для измеренил мощности в трехфазных сетях содержит следующие основные элементы и узлы.

Восемь входных зажимов цепи тока 1-8. Зажимы 1 и 2,3 и 4, 5 и 8 служат для подключения устройства в токовые цепи фаз А, С и В соответственно, причем зажимы 1, 3 и 5 отмечены звездочками, т.е. считаются генераторными. Зажимы 6 и 7 являются дополнительными. Четыре входных зажима цепи напряжения 9,10,11 и 12. Первыетриизних служат для подключения фазных проводов контролируемой сети, а четвертый - для подключения нулевого провода в .четырехпроводной цепи.

Три устройства ввода тока 13, 14 и 15 выполнены с использованием промежуточных трансформаторов тока 16, 17 и 18, содержащих по три одинаковые первичные

ч ю ш

X

СА)

.,

обмотки (цепи вторичных обмоток на фиг. 1 не показаны). Три устройства ввода напряжения 19, 20 и 21, три множительных устройства 22, 23 и 24, суммирующее устройство 25 и выходное устройство 26 (фильтрующее и масштабирующее).

В рассмотренной схеме три множительных устройства могут быть заменены одним множителем, входы которого с помощью коммутатора поочередно подключаются к соответствующим выходам устройств ввода тока и напряжения.

Устройства ввода тока и напряжения служат для согласования уровня входных сигналов тока и напряжения устройства и сигналов первичных измерительных трансформаторов тока (5 А или 1 А) и трансформаторов напряжения (100 В) - для приборов, включенных через трансформаторы с входными сигналами множительных устройств. Они также служат для гальванического разделения входных цепей между собой и от выходных цепей.

Работа устройства происходит следующим образом. При измерении активной мощности в трехпроводных сетях при отсутствии информации о токе одной из фаз (обычно это фаза В, т.к. в этой фазе в трехпроводных сетях не устанавливают, как правило, первичный измерительный трансформатор тока) к фазам А, В и С сети подключены входные зажимы цепи напряжения 9,10 и 11 соответственно. Четвертый зажим цепи напряжения 12 остается неподключенным. Входные зажимы цепи тока 1,2 и 3, 4 подключены к выходным цепям первичных измерительных трансформаторов тока фаз А и С с соблюдением, полярности - зажимы 1 и 4 подключены к генераторным зажимам трансформаторов тока. Возможно также непосредственное включение устройства в контролируемую сеть, при этом зажимы 1, 2 и 3, 4 включаются в рассечку соответствующих фазных проводов.

Входные зажимы 5 и 8 цепи тока фазы В свободны. Токи фаз А и С проходят по первым первичным обмоткам трансформаторов тока 16 и 18 фаз А и С, создавая в выходной части устройств ввода тока 13 и 15 сигналы, пропорциональные токам IA и Ic. Эти токи одновременно проходят по первой и второй первичным обмоткам трансформатора тока 17 фазы В, создавая в выходной цепи устройства ввода тока 14 сигнал, пропорциональный сумме этих токов.

, Очевидно, что при измерении предлагаемым устройством активной мощности в трехпроводных сетях реализуется известный алгоритм измерения активной мощности по схеме Арона (схема двух ваттметров):

(UABt А+ОсеЛс).

(9)

где Re - оператор выделения вещественной части комплексного числа.

В рассматриваемом случае выходной сигнал второго множительного устройства равен нулю, т.к. сигнал напряжения на его входе равен 0.

Для измерения активной мощности в

четырехпроводных сетях четвертый входной зажим 12 цепи напряжения соединен с нулевым проводом сети, к зажимам 5 и 8 подключена выходная цепь трансформатора тока фазы В (или они включены непосредственно в цепь тока фазы В), а между дополнительными зажимами 6 и 7 цепи тока установлена перемычка. Это подключение показано на фиг. 1 пунктиром.

Ток фазы В протекает по третьей первичной обмотке транвформатора тока 17.и дважды в противоположных направлениях по второй и третьей первичным обмоткам трансформаторов тока 16 и 18, При этом результирующие входные сигналы устройств ввода тока 13 и 15 фаз А и С по-прежнему будут пропорциональны токам этих фаз, т.к. ампервитки, создаваемые током фазы В, взаимно компенсируются. Выходной сигнал устройства ввода тока 14 будет

пропорционален сумме токов всех, трех фаз

IA+IB+IC

(Ю)

т.е. току нулевого провода (утроенному току нулевой последовательности).

В рассматриваемом случае выходные сигналы множительных устройств 22 и 24 фаз А и С не изменяются, а выходной сигнал множительного устройства 23 фазы В будет пропорционален произведению тока нулевого провода на фазное напряжение фазы В. Измерение активной мощности трех фаз будет выполняться в соответствии с алгоритмом способа-прототипа

P Re UABTA+UcB C+UB(lA+fB+1c). О1)

В обоих рассмотренных случаях устройство позволяет проводить измерениеактивной мощности точно, вне зависимости от симметрии трехфазной сети.

Для измерения реактивной мощности в трехпроводных цепях при отсутствии информации о токе фазы В проведены следующие переключения (см. фиг. 2). Установлены перемычки между 1, 6 и 3, 7 зажимами токовой цепи. Генераторный провод цепи тока фазы А подключен к зажиму 2, а второй провод этой цепи - к зажиму 5. Второй провод цепи тока фазы С подключен

к зажиму 8. Зажим 9 цепи напряжения подключен к фазе С, а зажим 11 - к фазе А. Зажим 12 свободен. Легко увидеть, что при таком включении ток каждой из фаз А и С дважды согласно проходит через первичные обмотки своего трансформатора тока и один раз также согласно - через обмотки другого трансформатора тока.

При этом выходные сигналы устройств ввода тока 13 и 15 фаз А и С будут пропорциональны соответственно -(21д + ic) и

2.(ic+lA).

Выходной сигнал устройства в этом режиме будет определяться выражением

(2tA4c)+UAB(2kHA) . (12)

Множительное устройство 23 в этом случае, как и при измерении активной мощности, дает нулевой выходной сигнал. При симметрии системы напряжений определяемая (12) величина будет пропорциональна реактив- мощности. Заменив в (12) выражения (21/v+lc) и (2lc+iA) на эквивалентные им (1д-1в) и (1с-1в) и раскрыв скобки, получим

Re(-UcB A+UAB c+UcAtB). (13)

Заменив в этом выражении UCB j UA, VlFOc и UB. получим

. (UAlA+UBlB+Udc)h Q ,(14)

так как Не()м(Х).

Таким образом, выходной сигнал устройства оказывается пропорционален реактивной мощности симметричной трехфазной сети. В несимметричной сети алгоритм (12) обеспечивает измерение с минимальной возможной погрешностью измерения реактивной мощности.

Для измерения реактивной мощности в четырехпроводной сети (см. фиг. 3) подключение цепей напряжения остается прежним. Заметим, что и в этом случае зажим 12 к нулевому проводу не подключается. Токовые провода фазы А подключены к зажимам .1 и 2, однако генераторный провод должен быть подключен как и в предыдущем случае к зажиму 2. Токовые провода фазы С подключены к зажимам 3 и 4, при этом генера- торный провод измерительного трансформатора тока подключен к генераторному зажиму 4. Токовые провода фазы В подключены следующим образом: генераторный провод - к генераторному зажиму 5 фазы В, другой провод - к зажиму 6. В рассматриваемом случае выходной сигнал

второго множительного устройства 23 равен также нулю.

Выходной сигнал устройства в этом режиме определяется выражением

Ре -ПсвОА-Тв)+иАв(Тс-1в) , (15)

Так как в первичных обмотках трансформаторов тока 16 и 18 протекают встречно токи

0 IA. IB и Ic, IB- легко показать, что выражение (15) эквивалентно (12) и (14).

Все основные конструктивные и схемотехнические особенности рассматриваемого устройства для измерения электрической

5 мощности в полной мере могут быть отнесены и к устройству для измерения энергии (счетчику электроэнергии), в этом случае в нем должно применяться интегрирующее выходное устройство.

0 Основным достоинством устройства является его универсальность - возможность измерения активной и реактивной мощно- сти в трех- и четырехпроводных сетях.

Следует отметить, что в описываемом

5 устройстве при измерении реактивной мощности выходной сигнал будет пропорционален , т.е. масштаб будет увеличен в УИГраз. Этот недостаток непринципиален и в случае необходимости может быть исклю0 чен введением переключателя масштаба. Формула изобретения 1. Устройство для измерения электрической мощности трехфазных сетей, содержащее входные зажимы цепей тока и

5 напряжения, три устройства ввода тока, выполненные на основе трансформаторов тока, три устройства ввода напряжения, три множительных устройства, к входам которых подключены выходы соответствующих

0 устройств ввода тока и напряжения, суммирующее устройство, к входам которого подключены выходы множительных устройств; и выходные фильтрующее и масштабирую- щее устройства, начало первичной обмотки

5 первого трансформатора тока подключено к первому входному зажиму цепи тока, а ее конец соединён с началом первой первичной обмотки второго трансформатора тока, конец которой подключен к второму входно0 му зажиму цепи тока, начало первичной обмотки третьего трансформатора тока подключено к четвертому входному зажиму цепи тока, а ее конец соединен с началом второй первичной обмотки второго транс5 форматора тока, конец которой подключен к третьему входному зажиму цепи тока, начало третьей первичной обмотки второго трансформатора тока подключено к пятому входному зажиму цепи тока, начала входных

цепей трех устройств ввода напряжения соединены с тремя входными зажимами цепи напряжения, которые подключены к фазным проводам сети, концы входных цепей первого и третьего устройств ввода напря- жения соединены вместе и подключены к второму входному зажиму цепи напряжения, а конец входной цепи второго устройства ввода напряжения подключен к четвертому входному зажиму цепи напря- жения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей - обеспечения измерения реактивной мощности, в первый и третий трансформаторы тока введены дополни- тельно вторая и третья первичные обмотки и дополнительно установлены седьмой и восьмой входные зажимы цепи тока, причем конец третьей первичной обмотки второго трансформатора тока соединен с началом второй первичной обмотки- первого трансформатора тока, конец этой обмотки соединен с концом второй первичной обмотки третьего трансформатора тока, начало которой подключено к шестому входному зажи- му цепи тока, начало третьей первичной обмотки третьего трансформатора тока подключено к седьмому входному зажиму цепи тока, ее конец соединен с концом третьей первичной обмотки первого трансформато- ратока, начало которой подключено к восьмому входному зажиму цепи тока.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью измерения активной мощности в трехпроводных трехфазных се- тях при отсутствии информации о токе фазы В, генераторные провода токовых цепей фаз А и С сети подключены соответственно к первому и четвертому входным зажимам цепи тока, вторые провода токовых цепей этих фаз подключены соответственно к второму и третьему входным зажимам цепи тока, а первый, второй и третий входные зажимы цепей напряжения подключены к

фазным проводам фаз А, В и С контролируемой сети соответственно.

3. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю- щ е. е с я тем, что, с целью измерения активной мощности в четырехпроводных трехфазных сетях, четвертый входной зажим цепи напряжения подключен к нулевому проводу контролируемой сети, к пятому и восьмому входным зажимам цепи тока подключены соответственно генераторный и второй провод токовой цепи фазы В, а между шестым и седьмым входными зажимами цепи тока установлена перемычка.

4. Устройство поп.1, отличаю щее- с я тем, что, с целью измерения реактивной мощности в трехпроводных трехфазных сетях при отсутствии информации о токе фазы В, генераторные провода токовых цепей фаз А и С контролируемой сети подключены соответственно к второму и четвертому входным зажимам цепи тока, вторые провода токовых цепей этих фаз подключены соответственно к пятому и восьмому входным зажимам цепи тока, между первым и шестым входными зажимами и между третьим и седьмым входными зажимами цепи тока установлены перемычки, первый и третий входные зажимы цепи напряжения подключены к фазным проводам фаз С и А соответственно, а второй входной зажим цепи напряжения подключен к фазному проводу фазы В.

5. Устройство по пп. 1 и 4, отличающееся тем, что, с целью измерения реактивной мощности в четырехпроводных трех- фазных сетях, генераторные провода токовых цепей фаз А, В и С контролируемой сети подключены соответственно к второму, пятому и третьему входным зажимам цепи тока, вторые провода токовых цепей фаз А, В и С подключены соответственно к первому, третьему и шестому входным зажимам цепи тока.

К

а

Использование: для измерения активной и неактивной мощности в трехфазных трех- и четырехпроводных сетях переменного тока. Сущность изобретения: устройство содержит четыре входных зажима тока, восемь входных зажимов напряжения, три устройства ввода тока, три устройства ввода напряжения, три множительных устройства, сумматор и выходное устройство. 4 з.п. ф- лы, 3 ил.

л в

Зрительное, устроиетйо

m

Ik

.. С..

Тч

ИзмерителъД нов

устроист&о

ЫЪ