Устройство для измерения активного сопротивления Советский патент 1993 года по МПК G01R27/18 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим измерениям и релейной защите, и. в частности, может быть использовано для измерения и непрерывного контроля активного сопротивления изоляции электрических сетей переменного тока, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных, а также в условиях длительных переходных процессов, вызванных различными причинами.

(Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение точности и быстродействия устройства для измерения активного сопротивления электрических цепей переменного тока, находящихся под напряжением или же обесточенных, и в условиях длительных переходных процессов в контролируемой электрической цепи произвольной сложности.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема адаптивного датчика постоянной величины, на фиг. 3 - временная диаграмма работы.

Устройство содержит (фиг. 1) генератор испытательного сигнала 1, включенный последовательное нагрузкой 2 (электрическая цепь) и опорным резистором 3, аналого- цифровые преобразователи 4 и 5. входы которых подключены к выходам генератора импульсного сигнала 1, фильтр нижних частот б и фильтр нулевой гармоники 7, присоединенные входами соответственно к

XI

О ОР

VI

OJ СА)

выходам аналого-цифровых преобразователей 4 и 5. а выходами - к соответствующим входам данных адаптивных датчиков 8 и 9, выходы которых являются соответственно первым и вторым входами данных управля- юще-вычислительного блока 10, индикатор 11 и делитель тактовых импульсов 12, при этом выходы управляюще-вычислительного блока 10 подключены: ко входу индикатора 11, к управляющим входам генератора им- пулъсного сигнала 1, к управляющим входам адаптивных датчиков постоянной величины 8 и 9, а через делитель тактовых импульсов 12 и ко входам синхронизации аналого-цифровых преобразователей 4 и 5 и ко входам синхронизации фильтра нижних частот 6 и фильтра нулевой гармоники 7 и адаптивных датчиков постоянной величины 8 и 9.

На фиг. 2 приведена структурная схема адаптивного датчика постоянной величины 8 (9). Она включает в себя два цифровых фильтра 13 и 14, первый из которых настраивается на входной сигнал, а второй идентичен первому и получает свои параметры по результатам его настройки, сумматор 15, пороговый блок 16, блок задания весовых коэффициентов 17, источник единичного сигнала 1.8 и блок деления 19. В состав цифрового фильтра 13 входят элементы задержки 20-22, умножители 23-25 и многовходовой сумматор 26. Второй цифровой фильтр 14 состоит из аналогичных элементов, но включены фильтры 13 и 14 по-разному: вход данных датчика 13 образует вход адаптивного датчика постоянной величины, а вход данных адаптивного датчика постоянной величины 14 подключен к источнику единичного сигнала 18. Входы задания коэффициентов обоих адаптивных датчиков 13 и 14 подключены к верхним выходам задающего блока 17, нижний же выход этого блока подключен ко входам блока деления 19 и сумматора 15. Пороговый блок 16, вход которого соединен с выходом сумматора 15, воздействует совместно со входным сигналом адаптивного датчика постоянной величины на блок задания весовых коэффициентов 17. Блок деления 19 выполнен с задающим входом, подключенным к выходу цифрового фильтра 14. Выход блока деления 19 является выходом данных адаптивного датчика постоянной величины, запуск которого осуществляется по входу задающего блока 17, нижний выход задающего блока является стробирующим выходом адаптивного датчика постоянной величины 8 или 9. Согласование работы адаптивною датчика с другими блоками устройства осуществляется по каналу синхронизации,

Работа устройства происходит следующим образом.

Каскадное соединение аналого-цифро- вого преобразователя 4, фильтра низких частот 6 и адаптивного датчика постоянной величины 8, выход данных которого подключен к первому входу данных управляющевычислительного блока 10, образуют канал выделения постоянной составляющей напряжения на входе контролируемой электрической цепи. Аналогичное соединение аналого-цифрового преобразователя 5,

фильтра нулевой гармоники 7 и датчика постоянной величины 9, соединенного своим выходом со вторым входом данных управляюще-вычислительного блока 10, образует канал выделения постоянной составляющей тока, протекающего в контуре: опорный резистор 3 - источник испытательного сигнала 1 - измеряемая цепь (нагрузка) 2.

Измерение активного сопротивления проводится циклически, поэтому достаточно рассмотреть 1-й цикл измерений.

Очередной цикл измерения начинается с формирования сигнала на первом управляющем выходе управляюще-вычислительного блока 10, в качестве которого,

например, может быть использован одно- кристалльный программируемый микроконтроллер. Это вызывает запуск генератора импульсного сигнала 1, работающего в ждущем режиме, и формирование импульсного напряжения на его выходах. Причем форма импульса может быть произвольной, а его длительность не должна превышать период основной гармоники напряжения и контролируемой электрической цепи. Через время Т, априорно известное и равное периоду основной гармоники, процедура повторится, а на выходе генератора начинает формиро ваться второй импульс - идентичный первому. С этого момента времени напряжения на входе аналого-цифрового преобразователя 4 описывается как

50

U(t) U l(t) + U 2(t) + Uce« 4 Uo. (1)

где U i(t) - переменная составляющая напряжения наведенная рабочим напряже нием контролируемой электрической цепи:

5 U a(t) - переменная составляющая напряжения вызванного действием последо вательности импульсов генератора импульсных сигналов 1, гармонический состав которой совпадает составом перемен ной составляющей U i(t). Uo(t) свободная

составляющая переходного процесса, вызванного действием последовательности импульсов генератора 1 на цепь 2 и, возможно другими причинами, Uo постоянная составляющая напряжения, вызванная ге- нератором импульсного сигнала t,

На выходе аналого-цифрового преобразователя 4 формируется цифровой сигнал U(l т ) (в дальнейшем просто U(l), где I - дискретное время; т - интервал дискрети- зации , который выбирается из условия обеспечения необходимой точности вычисления постоянной составляющей напряжения, так как малые вызывают дополнительную погрешность представле- ния исходного аналогового сигнала U(t) его цифровых аналогом U(l) из-за конечной разрядности реальных аналого-цифровых преобразователей и ограниченной длины машинного слова управляюще-вычисли- тельного блока 10. Величина интервала дискретизации г задается коэффициентом пересчета делителя тактовых импульсов 12, на вход которого со второго управляющего выхода управляюще-вычислительного бло- ка 10 поступает последовательность тактовых импульсов калиброванной частоты.

Фильтр низких частот 6 и фильтр нулевой гармоники 7 представляют собой цифровые фильтры, преобразующие входной сигнал в соответствии с выражением

1

иф(0 тгX U(q),

N q L-N + 1

i

где N - количество выборок сигнала U(t) на периоде переменной составляющей напряжения. Целью такого преобразования является подавление во входном сигнале всех гармоник переменной составляющей меньших частоты Найквиста. Поэтому на инфор- мационный вход датчика постоянной величины 8 через время равное периоду Т следования импульсов генератора поступит сигнал

Назначением адаптивных датчиков постоянной величины 8 и 9 является фильтрация постоянной слагаемой переходного процесса задолго до его окончания. Рассмотрим работу одного из датчиков, на вход которого поступает сигнал переходного процесса, описываемый выражением (3).

По приходе сигнала пуска задающий блок 17 адаптивного датчика обнуляет свои верхние выходы, формируя на нижнем выходе постоянный сигнал у, который можно интерпретировать как задающий (обучающий) сигнал адаптивного датчика. В сумматоре 15 этот сигнал вычитается из выходного сигнала программируемого нерекурсивного фильтра 13

Ц0 иф(1}- § asU rfl-s).

8 1

(4)

где m - порядок фильтра. А на пороговый элемент 16 поступает разностный сигнал

Ј(1) иф(1)-у- ЈаяифО-8).

s i

(5)

который воспринимается как помеха (невязка). Пороговый элемент 16 реагирует на ее уровень. Пороговый элемент и вход пуска адаптивного датчика управляют разрешением работы задающего блока 17.

Блок 17 формирует на своих выходах сигналы, задающие коэффициенты а программируемому нерекурсивному фильтру 13, а также постоянную величину у. Принцип действия этого блока заключается в преобразовании отсчетов входной величины (l) в сигналы as, s - 1,m и у, и в общем случае подчинен некоторому критерию, минимизирующему уровень сигнала Ј(). Организация блока 17 обеспечивает решение m-И уравнения с т+1 неизвестными as, s 1,m и у:

Ј(, l N + m.n n Ј2m + N. (6)

Использование: в области электротехники, а именно в релейной защите и электрических измерениях. Сущность изобретения: устройство содержит генератор импульсного сигнала, включенный последовательно с контролируемой цепью и опорным резисто- ром. и два одинаковых канала выделения постоянной составляющей сигнала на контролируемой цепи и на опорном резисторе, каждый из которых состоит из каскадного соединения аналого-цифрового преобразователя, фильтра нижних частот (нулевой гармоники) и адаптивного датчика постоянной величины. Новым в устройстве является исполнение генератора импульсного сигнала как источника последовательности одинаковых импульсов произвольной формы и способности выделения постоянных составляющих напряжения и тока в контролируемой цепи на фоне переменного напряжения и переходного процесса. 2 з.п.ф-лы, 3 ил. (Л С

иф() Ucafl) + U0.

заметим, что преобразование (2), в силу своей линейности, не изменяет частот и коэффициентов свободного процесса, оставляя при этом неизменной величину постоянной составляющей.

Одновременно с формированием второго импульса генератором 1 улравляюще- вычислительный блок 10 вызывает запуск адаптивных датчиков постоянной величины 8 и 9, формируя для этого сигнал пуска на своем нижнем управляющем выходе.

Если свободный процесс является апериодическим Uce(l) Uexpf-ytf I г), где U,/ - заранее неизвестные начальное значение и 50 коэффициент затухания, то задающий блок 17 определит параметры at и у из условия (6) при

55

у+ ,(N)ai Lbj(N+1) у + иф(М-И)а 1)ф(М+2)

(7)

Решением (7) по отсчетам иф((). I N, N+2 являются ai - ехр(- /Зг) и у U0(1+a), которые автоматически обеспечивают при простом апериодическом свободном процессе выполнение условия (6) при I N + 2m N+2 без изменения параметров ai и у. При этом на выходе порогового элемента 16 вырабатывается низкий уровень Б(|), вызывающий окончание обновления величин as и у, а также формирование сигнала строба на выходе адаптивного датчика. Одновременно с формированием строба на выходе делителя 19 формируется значение постоянной составляющей переходного процесса U0, как результаты операции

U0 y/H(0)

(Н(0) 1 + Ј as 1 + ai - передаточная

S 1

характеристика одинаковых фильтров 13 и 14), которая вырабатывается на выходе фильтра 14 в результате воздействия источника опорного единичного сигнала 18.

Таким образом адаптивный датчик постоянной величины 8 или 9 обладает свойством обнаруживать за вполне определенное время и без методической погрешности постоянную установившуюся слагаемую переходного процесса, т.е. подавлять свободную составляющую.

По завершении настройки датчиков 8 и 9 на их стробирующих выходах вырабатываются сигналы, вызывающие запись соответ- ственно постоянных составляющих напряжения на нагрузке Uo и на опорном резисторе URO в память управляюще-вычис- лительного блока 10,

Активное сопротивление электрической цепи вычисляется в соответствии с выражением

RU3-UoRo/UR0,

где RO - величина опорного резистора 3.

Результат вычисления Риз отображается управляюще-вычислительным блоком через выход данных на индикаторе 11,

На фиг. 3 приведены временные диаграммы сигналов на входах и выходах адаптивных датчиков постоянной величины 8 и 9,

В случае контроля активного сопротивления обесточенной электрической цепи период последовательности испытательных Импульсов выбирается из соображений обеспечения необходимого быстродействия и точности. Расширение функциональных возможностей устройства обусловлено свойством каскадного соединения фильтра нижних частот (сумматора отсчетов за пери

од) и адаптивного датчика постоянной величины выделять из переходного процесса произвольной сложности и без методической погрешности -постоянные слагаемые

5 напряжения и тока, характеризующие активные сопротивление объекта (электрической сети), повышение точности измерения активного сопротивления обусловлено независимостью результатов измерений от

10 формы импульсов генератора импульсного сигнала, а повышение быстродействия обусловлено способностью устройства выделять постоянную составляющую входного сигнала на начальном участке переходного

15 процесса.

Формула изобретения

20 подключен к первому зажиму измеряемого сопротивления, управляюще-вычислитель- ный блок, аналого-цифровой преобразователь, индикатор и фильтр нижних частот, отличающееся тем, что, с

25 целью расширения функциональных возможностей, повышения точности и быстродействия, в него введены второй аналого-цифровой преобразователь, фильтр нулевой гармоники, опорный рези30 стор и первый и второй адаптивные датчики постоянной величины, делитель тактовых импульсов, второй вывод генератора импульсного сигнала соединен с первым выводом опорного резистора, второй вывод

35 которого и второй вывод измеряемого сопротивления соединены с общей шиной, входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей подключены соответственно к первому и второму выводам генера40 тора импульсного сигнала, входы фильтра нижних частот и фильтра нулевой гармоники подключены к выходам соответственно первого и второго аналого-цифровых преобразователей, входы первого и второго адап45 тивных датчиков подключены к выводам

соответственно фильтра нижних частот и

фильтра нулевой гармоники, входы управляюще-вычислительного блока подключены к

выходам адаптивных датчиков, а выходы уп50 равляюще-вычислительного блока подключены к входу индикатора, к управляющим входам генератора импульсного сигнала и адаптивных датчиков постоянной величины через делитель тактовых импульсов и к вхо55 дам синхронизации аналого-цифровых преобразователей, фильтра нижних частот и фильтра нулевой гармоники и адаптивных датчиков постоянной величины.

Фиг. г

точности измерения активного сопротивления электрической цепи, находящейся под переменным напряжением, период следования импульсор генератора импульсного сигнала установлен равным периоду переменного напряжения.

Фиг. 1