Измеритель активной мощности Советский патент 1993 года по МПК G01R21/06 

Измерение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения мощности в цепях переменного тока.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является измеритель активной мощности, содержащий датчик тока и напряжения, выход перемножителя связан с входами устройства выборки-хранения и фильтра высокой частоты, который через нуль-орган соединен с управляющим входом устройства выборки-хранения, выход этого устройства является выходом измерителя.

Известное устройство основано на следующем положении. Если u(t) Umsin y t и i(t) lmsin(ft t + #), то мгновенная мощность равна

p(t)u(t)-i(t) cos( + p) P-Sxos(2 an. + ip), (1)

где lm, Dm - амплитудные значения тока и напряжения;

р- сдвиг по фазе между током и напряжением;

S lmUm/2 - значение полной мощности;

Р S р - значение активной мощности.

При Scos()) 0 значение мгновенной мощности p(t) 0, а это возможно, если cos( 2 +y) 0 при

2(01 + (f - (21+1), где i 0, 1,2,... Однако

ФТВЧ и НО имеют определенную временную задержку прохождения сигнала управления УПВХ. На фиг.4 показаны графики Р, Scos( 2 м t + р), p(t). Из фиг.4 видно, что при задержке срабатывания УВХ на т в нем фиксируется значение р(т) - Р + д, что снижает точность определения активной мощности.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Существенным отличием предлагаемого устройства является новая структурная организация за счет введения блока управления, управляемого блока выборки-хранения, сумматора, а также введенных связей,

ел С

00

о

CJ

со

что позволяет повысить точность измерителя за счет усреднения погрешности $. Из фиг.4 видно, что при Scos(2 a)i ) 0 за счет задержки на величину т будут зафиксированы в управляемом блоке выборки-хранения значения:

Р-ф, (2оп+lp) , при Scos(2ftM +)0;

Суммируя эти значения в сумматоре 9, получим

Р2 () + (Р + &) 2Р + (& - Ji).

л

В идеале, если 5i 62 , то Р2 2Р, полученное значение запоминается в устройстве выборки-хранения, разделив которое на число слагаемых, которое должно быть четным, получают оценку активной мощности. В общем случае в устройстве выборки-хранения будет значение:

-Ј

PN Ј (Pi - 5i x

1

X sign cos (2(oi + р)}),

где PJ - значение p(t) при Scos( 2 a)i ) 0;

д - абсолютное значение погрешности 1-го измерения.

Кроме того, существенным отличием предлагаемого устройства является новая структурная организация блока управления и управляемого блока выборки-хранения, за счет введения формирователя фронтов, регистра сдвига, блока ключей, первого и второго устройства задержек сигналов, а в управляемый блок выборки-хранения N устройств выборки-хранения, а также введенных связей между элементами этих блоков.

Данная структурная организация позволяет оперативно формировать сигналы управления для N устройств выборки-хранения, а введенные устройства задержки в блок управления вырабатывают разрешающий сигнал после окончания переходных процессов в регистре сдвигов и сумматоре.

Данная организация управляемого блока выборки-хранения обеспечивает хранение N выборок в моменты определяемые блоком управления. Простота и доступность к каждому устройству выборки-хранения, возможность изменения числа усреднений в зависимости от входного сигнала является

15

20

достоинством данной организации управляемого блока выборки-хранения.

Таким образом, предлагаемому устройству присущи существенные отличия по

5 сравнению с известными, достигаемые введенной совокупностью признаков, и положительный эффект не является простой суммой известных.

На фиг.1-3 приведены структурная схеЮ ма измерителя, блока управления и управляемого блока выборки-хранения; на фиг. 1 4- графики p(t)/S, P/S, Scos( + p)/S; на фиг, 5 - эторы напряжений измерителя; на фиг. 6 - пример реализации измерителя. Измеритель активной мощности, содержащий датчик 1 тока, датчик 2 напряжения, устройство 4 выборки-хранения, выход которого является выходом измерителя, и последовательно соединенные перемножитель 3, фильтр 5 высоких частот, нуль-орган, причём выходы датчика 1 тока и датчика 2 напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами перемножителя 3, дополнительно содержит блок

25 у управления, управляемый блок 8 выборки- хранения, сумматор 9, выход которого соединен с информационным входом устройства 4 выборки-хранения, управляющий вход которого подключен к (N + 1)-му

30 выходу блока управления, N выходов блока управления подсоединены к N входам управления управляемого блока 8 выборки- хранения, N выходов которого соединены с N входами сумматора 9, выход нуль-органа

35 6 подключен к входу блока 7 управления,

информационный вход управляемого блока

8 выборки-хранения обьединен с выходом

перемножителя 3 и входом фильтра 5 высо ких частот. Кроме того, блок 7 управления

40 содержит регистр 11 сдвига, блок 12 ключей, выходы которого образуют N выходов блока 2 управления и последовательно соединенные формирователь 10 фронтов, вход которого является входом блока 7 управления,

45 первое 13 и второе 14 устройства задержки сигналов, выход второго устройства 14 задержки сигнала является (N + 1)-м выходом блока 7 управления, управляющий вход блока 12 ключей соединен с выходом первого устройства 13 задержки сигналов, вход которого объединен с входом регистра 11 сдвига, N-разрядный выход регистра 11 сдвига подключен к N-разрядному информационному входу блока 12 ключей. Управ55 ляемый блок 8 выборки-хранения содержит N устройство 15 выборки-хранения, выходы которых образуют N выходов управляемого блока 8 выборки-хранения, информационный вход которого объединен с информаци донным входами N устройств 15

50

выборки-хранения, управляющие входы которых соответственно подключены к N входами управления управляемого блока выборки-хранения.

Устройство работает следующим образом.

Сигналы датчиков 1 и 2, пропорциональные мгновенным значениям тока I и напряжения и, поступают на входы пере- множителя 3, на выходе которого формируется сигнал, пропорциональный мгновенному значению мощности из p(t) iu (фиг.5).

Для синусоидальных напряжений и токов известно соотношение

p(t)P-Scos( ).

Из этого соотношения видно, что в момент равенства нулю гармонической составляющей

S cos(2 0)i ),

мгновенное значение мощности p(t) равно активной мощности

p(t) Р Scos f.

Выделение гармонической составляющей мгновенной мощности p(t) осуществляется фильтром 5 высоких частот, сигнал с выхода которого поступает на нуль-орган б Кб на фиг.5. В момент равенства нулю выходного сигнала фильтра 5 нуль-орган б формирует на выходе импульс, поступающий на вход блока 7 управления, где формирователь фронтов вырабатывает импульсы ию(фиг.5). В регистре 11 сдвига эти импульсы сдвигают по кольцу единицу, тем самым обеспечивая через блок 12 ключей (фиг.5) подключение к выходу перемножителя 3 1-го устройства 15 выборки-хранения из управляемого блока 8 выборки-хранения, по диаграмме

1-2-,,-(Ы)Ч-0 + 1}-...-(N-1)-N-1-2.

Устройство 13 задержки сигнала обеспечивает подключение 1-го элемента управляемого блока 8 после сдвига в регистре сдвига.

После заполнения N устройства 15 в управляемом блоке 8 выборки-хранения на вход сумматора 9 поступает четное количество точек из N/2 периодов. Суммируя отсчеты в сумматоре 9 по N/2 периодам получаем оценку PN (2):

PN § ( x .

i 11

/

5Xsign (2 ait + )}).

Это значение после отработки задержки 14, заносятся в устройство 4 выборки-хранения. При необходимости эта оценка п может быть разделена на число слагаемых

N, т.е.

лл

NP PN или Р PN/N

,1г -лх

Xsign(S cos( +Ј))}

Полученный результат может быть записан в виде:

Р Р±Д(5.

Сравним точность измерения предлагаемого измерителя с базовым, в качестве которого взят прототип.

Из фиг.4 видно, что при 2f 27,7 кГц и при задержке на величину г 1ms в базовом

устройстве 4 выборки-хранения будет записано вместо значения U0 0,866mV напряжение Uni 0,524mV, при следующем пересечении Un2 1,208mV, т.е. существует разброс значений измерения, равный:

A U Un2-Uni 1,208-0,524 0.684mV.

В предлагаемом устройстве, только на одном периоде, т.е. по этим двум значениям получим величину

U Un2 + Uni 1,208 + 0,524 1,732mV,

т.е. U равно удвоенному значению активной мощности

P2 2-U0 20,866 1,732mV.

Разделив величину U на два, получим U/2 ,866mV.

Таким образом, предлагаемое устройство в рассмотренном примере повышает точность измерения активной мощности в среднем на 0,342mV.

Практическая реализация измерителя приведена на фиг.б. Перемножитель 3 и нуль-орган 6 реализованы. Остальные элементы выполнены на микросхемах 155 серии (БКУ) и операционном усилителе N-вхо- довом сумматоре 9.

Повышение точности измерения позволяет уменьшить неточности измерений, тогда повысится достоверность измерений и контроль расхода активной мощности, а, следовательно, и технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства по сравнению с известными.

Формула изобретения

1. Измеритель активной мощности, содержащий датчик тока, датчик напряжения, устройство выборки-хранения, выход которого является выходом измерителя, и последовательно соединенные перемножитель фильтр высоких частот, нуль-орган, выходы датчика тока и датчика напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами перемножителя, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены блок управления, управляемый блок выборки-хранения, сумматор, выход которого соединен с ин формационным входом устройства выборки-хранения, управляющий вход которого подключен к (N + 1)-му выходу блока управления, N выходов блока управления подсоединены к N входам управления управляемого „блока выборки-хранения, N выходов которого соединены с N входами

-

сумматора, выход нуль-органа подключен к входу блока управления, информационный вход управляемого блока выборки-хранения объединен с выходом перемножителя и вхо- 5 дом фильтра высоких частот.

2. Измерение по п,1,0 т л и ч а ю щ и й- с я тем, что блок управления содержит регистр сдвига, блок ключей, выходы которого образуют N выходов блока управления и

10 последовательно соединенные формирователь фронтов, вход которого является вхо- дом блока, управления, первое и второе устройства задержки сигналов, выход второго устройства задержки сигнала является

15 (N + 1)-м выходом блока управления, управляющий вход блока ключей соединен с выходом первого устройства задержки сигналов, вход которого объединен с входом регистра сдвига, N-разрядный выход реги20 стра сдвига подключен к N-разрядному информационному входу блока ключей..

3. Измеритель по п.1, от л и ч а ю щ и й- с я тем, что управляемый блок выборки-хранения содержит N устройств выборки-хра- 25 нения, выходы которых образуют N выходов управляемого блока выборки хранения, информационный вход которого объединен с информационными входами N устройств выборки-хранения, управляющие входы кр- 30 торых соответственно подключены к N входам управления управляемого блока выборки-хранения.

Использование: для измерения активной мощности в цепях переменного тока. Цель: повышение точности измерения. Сущность изобретения: устройство содержит датчик 1 тока, датчик 2 напряжения, перемножитель 3, устройство 4 выборки-хранения, фильтр 5 высоких частот, нуль-орган 6, блок 7 управления, управляемый блок 8 выборки-хранения, сумматор 9, 1-3-5-6-7-4, 3-8-9-4, 7-8, 2 с.п. ф-лы, 6 ил.