Многофункциональный измерительный преобразователь Советский патент 1993 года по МПК G01R21/06 

го выпрямителей соединены соответственно с входами первого и второго сглаживающих фильтров, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого делителя, выход которого является пятым выходом преобразователя, выходы седьмого и восьмого выпрямителя соединены соответственно с входами третьего и четвертого сглаживающих фильтров, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами второго делителя, выход которого является шестым выходом преобразователя, выходы первого - четвертого фазочувствительных выпрямителей соединены соответственно с первыми входами третьего, пятого, четвертого и шестого делителей и являются соответственно седьмым, одиннадцатым, девятым и тринадцатым выходами преобразователя, выходы второго, пятого, третьего и шестого выпрямителей соответственно через пятый - восьмой сглаживающие фильтры соединены соответственно с вторыми входами третьего - шестого делителей, выходы которых являются соответственно восьмым, десятым, двенадцатым и четырнадцатым выходами преобразователя, выходы первого и третьего усилителей- ограничителей соединены соответственно с первым и вторым выходами пятого фазочув- ствительного выпрямителя, выход которого является пятнадцатым выходом преобразователя, выходы второго и четвертого усилителей-ограничителей соединены соответственно с первым и вторым входами шестого фазочув- ствительного выпрямителя, выход которого является шестнадцатым доходом преобразователя, выходы первого и второго перемножителей соединены соответственно с первыми входами первого и второго сумматоров и являются соответственно семнадца- тым и двадцатым выходами преобразователя, выходы третьего и четвертого перемножителей соединены соответственно с вторыми входами первого и второго сумматоров и являются соответственно восемнадцатым и двадцать первым выходами преобразователя, выходы первого и второго сумматоров - соответственно девятнадцатым и двадцать вторым выходами преобразователя.

2.Преобразователь по п. 1. о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что формирователь образующих сигналов содержит датчики обобщенного вектора токов, обобщенного вектора напряжений и ортогонального обобщенного вектора напряжений и шесть заграждающих фильтров, выходы которых являются соответственно выходами формирователя, первый и второй опорные входы формирователя соединены с соответствующими входами каждого датчика, выходы которых соединены соответственно с соответствующей парой заграждающих фильтров, входные токовые зажимы для подключения контролируемой цепи формироватедя соединены с соответствующими входами датчика обобщенного вектора токов, потенциальные зажимы для подключения контролируемой цепи соединены с соответствующими входами датчиков обобщенного вектора напряжений и ортогонального обобщенного вектора напряжений.

3.Преобразователь по п. 2, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что каждый из датчиков обобщенного вектора токов, обобщенного вектора напряжений и ортогонального обобщенного вектора напряжений содержит два масштабирующих сумматора, входы которых соединены с соответствующими входными зажимами для подключения контролируемой цепи, выходы первого и второго масштабирующих сумматоров соединены с первыми входами соответственно первого и второго перемножителей датчика, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора датчика, выход которого является выходом датчика, вторые входы первого и второго перемножителей являются соответственно первым и вторым опорными входами датчика.

1. Многофункциональный измерительный преобразователь, содержащий шесть фазочувствительных выпрямителей, выпрямитель, два перемножителя, генератор опорных сигналов, выходы которого соединены с опорными входами формирователя образующих сигналов, входы которого соединены с токовыми и потенциальными зажимами для подключения контролируемой цели, отличающийся тем. что. с целью повышения быстродействия и расширения функциональных возможностей за счет увеличения параметров измерения режимов трехфазной цепи, в него введены семь вы- прямителей, третий и четвертый перемножители.четыре усилителя-ограничителя, восемь сглаживающих фильтров, шесть делителей, два сумматора. причем формирователь образующих сигналов выполнен в виде формирователя электрических сигналов, пропорциональных мгновенным значениям симметричных составляющих прямого и обратного следования фаз токов и напряжений контролируемой цепи с шестью выходами, а генератор опорных сигналов выполнен в виде генератора двух ортогональных высокочастотных синусоидальных напряжений, первый выход формирователя образующих сигналов соединен с входами первых выпрямителя и усилителя-ограничителя и с первыми входами первых и вторых фазочувствительных выпрямителей и перемножителей и является первым выходом преобразователя, второй выход формирователя образующих сигналов соединен с входами четвертого выпрямителя, второго усилителя-ограничителя и с первыми входами третьих и четвертых фазочувствительных выпрямителей и перемножителей и является вторым выходом преобразователя, третий выход формирователя образующих сигналов соединен с входами второго, третьего и седьмого выпрямителей и с вторыми входами первых фазочувствительного выпрямителя и перемножителя и является третьим выходом преобразователя, четвертый выход формирователя образующих сигналов соединен с входами пятого, шестого и восьмого выпрямителей и с вторыми входами третьих фазочувствительного выпрямителя и перемножителя и является четвертым выходом преобразователя, пятый выход формирователя образующих сигналов соединен с входом третьего усилителя-ограничителя и с вторыми входами вторых фазочувствительного выпрямителя и перемножителя, шестой выход формирователя образующих сигналов соединен с входом четвертого усилителя-ограничителя и с вторыми входами четвертых фазочувствительного выпрямителя и перемножителя, выходы первого и четвертоЁ 00 Сл) ся 01 к о

Изобретение относится к области электротехники, а именно к измерительно-преобразовательной технике, и может быть использовано в устройствах измерения, релейной защиты, автоматике энергосистем и для контроля качества электроэнергии.

Изобретение решает задачу повышения быстродействия и расширения функциональных возможностей известных устройств.

Преобразователь имеет формирователь образующих сигналов (ФОС). основанный на операциях перемножения сигналов с частотой трехфазной сети, пропорциональных проекциям обобщенного вектора токов и напряжений на два высокочастотных ортогональных синусоидальных сигнала генератора опорных напряжений. В результате исключаются операции интегрирования (усреднения) на периоде частоты сети, а сигналы на выходе ФОС представляют собой высокочастотные сигналы, пропорциональные мгновенным значениям симметричных составляющих прямого и обратного следования фаз токов напряжений контролируемой цепи и их ортогональным компонентам. Дальнейшее использование этих высокочастотных сигналов обеспечивает более высокое быстродействие предлагаемого преобразователя по сравнению с прототипом.

Использование полученных сигналов позволяет измерить более широкий круг параметров режима трехфазной цепи, которые необходимы для работы устройств релейной защиты, автоматики энергосистем и для контроля качества электроэнергии. К этим параметрам относятся симметричные составляющие прямого и обратного следования фаз токов и напряжений, их активные и реактивные составляющие, углы сдвига фаз между ними: активные и реактивные мощности, активные и реактивные составляющие проводимостей (сопротивлений) прямого и обратного следования фаз, коэффициенты несимметрии токов и напряжений и т.п. Таким образом, расширяются возможности использования предлагаемого измерительного преобразователя.

Функциональная схема преобразователя представлена на фиг. 1. Преобразователь содержит формирователь образующих сигналов (ФОС) 1. генератор опорных напряжений 2, первый 3. второй 4, третий 5, четвертый 11, пятый 12, шестой 13. седьмой 19, восьмой 20 выпрямители: первый 6, второй 7. третий 14, четвертый 15, пятый 33 и шестой 34 фазочувствительные выпрямители (ФВЧ): первый 23, второй 24, третий 26. четвертый 27, пятый 30. шестой 32, седьмой 36 и восьмой 38 сглаживающие фильтры: первый 25. второй 28. третий 29, четвертый 31, пятый 35 и шестой 37 делители, а также первый 39 и второй 40 сумматоры.

Функциональная схема ФОС представлена на фиг. 2.

ФОС содержит датчик обобщенного вектора токов 41. датчик обобщенного вектора напряжений 42 и датчик ортогонального обобщенного вектора напряжений 43. а также шесть заграждающих фильтров 44-49.

Функциональная схема датчиков обобщенного вектора показана на фиг. 3.

Датчик обобщенного вектора содержит первый 50 и второй 51 масштабирующие сумматоры; первый 52 и второй 53 перемножители и сумматор 54.

Многофункциональный измерительный преобразователь работает следующим образом.

. На входы ФОС 1 подаются системы трехфазных токов ia. ib. ic и напряжений Ua. Ub, Uc контролируемой цепи, которые можно представить в виде сумм симметричных составляющих прямого, обратного и нулевого следования фаз следующим образом:

10

О тг

IHlmS.in (Ot+fi 1-(l-1)-y- +l2mSin (1)1+

2л

+ (M)- - +lomSin(r/m ):

(1)

15

U| UlmSfn. Wt+ « 1МЫ) +U2mSin M t+ 0. 2+(l-1) Др}+

+Uomsin(wt+ «о):

(2)

где 1-1.2.3- номера фаз. соответствующие буквам а. Ь. с:

lim. l2m. lom: ft i. ft г. ftо - амплитуды и начальные фазы соответственно составляющих прямого, обратного и нулевого следования фаз токов:

Ulm.U2m.Uom: «1. «2. «о амплитуды

и начальные фазы соответственно составля- ющих прямого, обратного и нулевого следования фаз напряжений;

ш - угловая частота сети. На выходы ФОС подключены также выходы генератора опорных напряжений 2, ко- торый генерирует два высокочастотных ортогональных синусоидальных напряжений cosnt и sinnt. причем .

На шести выходах ФОС формируются соответственно следующие высокочастот- ныесигналы: Hmsin {n+ )г+ ft l2msin(n- м) - пропорциональные симметричным составляющим прямого и обратного следования фаз токов;

UlmSin(n+ l)t + « U2mSin(n- tt)t « 2

пропорциональные симметричным со

ставляющим прямого и обратного следования фаз напряжений;

U imcos(n+ м )t+ а i и U2mcos((n- i )t- « 2 - пропорциональные ортогональным компонентам симметричных составляющих

прямого и обратного следования фаз напряжений.

Первый выход ФОС является первым выходом преобразователя. Здесь имеет ме- сто сигнал imsin(n+ м)г+ ft i, пропорциональный симметричной составляющей прямого следования фаз тока. Этот выход присоединен также к выходу первого 3 выпрямителя, к входам первого 6 и второго 7

ФЧВ, к входу первого усилителя-ограничителя 8 и входам первого 9 и второго 10 перемножителей. Второй выход ФОС является вторым выходом преобразователя с сигналом i2 f2nisin(n-w) пропорциональным симметричной составляющей обратного следования фаз тока. Этот вход присоединен также к входу четвертого.11 выпрямителя, к входам третьего 14 и четвертого 15 ФЧВ, к входу второго усилителя-ограничителя 16 и к входам третьего 17 и четвертого 18 перемножителей. Третий выход ФОС является третьим выходом преобразователя с сигналом ui Uimsln(n+ d))+a i. пропорциональным составляющей напряжения прямого следования фаз. Этот выход подключен также к входам второго 4, третьего 5 и седьмого 19 выпрямителей, второму входу первого ФЧВ 6 и второму входу первого перемножителя 9. Четвертый выход ФОС является четвертым выходом преобразователя с сигналом u2 U2msin((n- a) )t- « 2. пропорциональным составляющим напряжения обратного следования фаз. Этот выход присоединен также к входу восьмого выпрямителя 20. к второму входу третьего ФЧВ 14 и второму входу третьего перемножителя 17. Пятый выход ФОС с сигналом G i UimCos(n+ «)t+ a i, пропорциональным ортогональным компоненте симметричной составляющей прямого следования фаз напряжений, подключен к входу третьего усилителя-ограничителя

21,к входу второго ФЧВ и к входу второго леремножителя 10. Шестой выход ФОС с сигналом U2 U2mCos(n- w)t-«2. пропор- циональным ортогональной компоненте симметричной составляющей обратного следования фаз напряжений, подключен к входу четвертого усилителя-ограничителя

фильтров имеют место сигналы постоянного напряжения, полученные после выпрямления и сглаживания сигналов U2 и ui. To есть. сигналы на выходах фильтров 26 и 27 пропорциональны амплитудным (действующим) значениям составляющих l)2m И Ulm напряжений обратного и прямого следования фаз. После деления этих сигналов делителем 28. на вход которого они подключены,

на выходе делителя 28 имеет место сигнал, пропорциональный коэффициенту несимметрии напряжений трехфазной цепи: KHV U2/Vi.

На входы первого ФЧВ 6 подаются сигналы hmsin(n+ w)t+/f i и Uimsin(n+w)t+« i, пропорциональные мгновенным значениям симметричных составляющих прямого следования фаз токов и напряжений. На сигнальный вход подан I inisin(n+ w)t+ (i 1, а на

управляющий - Uimsin(n+ w)t+ a 1. В результате на выходе ФВЧ 6 формируется сигнал, пропорциональный активной составляющей тока прямого следования фаз licosy i, где tp «1 - . Выход ФЧВ

6 является седьмым выходом преобразователя.

Выход ФЧВ 6 присоединен также к входу делителя 29, на второй вход которого подключен выход фильтра 30, на котором

имеет место сигнал, пропорциональный действующему значению составляющей напряжения прямого следования UL который, в свою очередь, формируется после выпрямления сигнала U imsin(n+ ш )t+ а выпрямителем 4. В результате деления на выходе 29 формируется сигнал gi hcosy i/Ui. пропорциональный активной проводимости прямого следования. Этот выход является восьмым выходом преобразователя.

Аналогично на выходе ФЧВ 14 имеет место сигнал по активной составляющей тока обратного следования 2cos t/ъ. где pi. ti - /fe . а на выходе делителя 31 - сигнал по активной проводимости

g2-)2cos 2/1)2 обратного следования. Это девятый и десятый выходы преобразователя. Совершенно аналогично построены каналы формирования сигналов, пропорциональных hsin (f 1 (выход 11). bi lisin p i/Ui

(выход 12) и l2Siny 2 (выход 13), D2-l2Sin уз 2/U2 (выход 14). Отличие здесь лишь в том. что на управляющие входы второго 7 и четвертого 15 ФЧВ подаются соответственно сигналы Uimcos(n+ w)t+« i и U2mcos(n-ш)). ортогональные симметричным составляющим напряжений.

На входы первого 8 и третьего 21 усилителей-ограничителей подаются соответственно сигналы limsin(n+f/0t+/i 1J и Uifncos(n+

+ d))i+ a 1. из которых формируются прямоугольные импульсы. После подачи этих импульсов на вход пятого ФЧВ 33, на его выходе формируется сигнал, пропорциональный углу сдвига фаз р -а . Это пятнадцатый выход преобразователя.

На входы второго 16 и четвертого 22 усилителей-ограничителей подаются соответственно сигналы (n-o)t и U2mcos(n- rw)t- «2. из которых формируются прямоугольные импульсы. После подачи этих импульсов на вход шестого ФЧВ 34. на его выходе формируется сигнал, про- порциональный углу сдвига фаз (f2-ftz. Это шестнадцатый выход преобразователя.

На входы первого перемножителя 9 подаются сигналы ii hmsin(n+w)t+/ 1 и ui UimSin(n+ w)t+ a i, а на его выходе формируется сигнал, пропорциональный активной мощности прямого следования фаз

cosyJi-Uih (n+ w)t+ a 1+ .

Выход перемножителя 9 - семнадцатый выход преобразователя. Он подключен также к входу первого сумматора 39.

На входы третьего перемножителя 17 подаются сигналы l2 J2msin(n- о )t- ft 2 и u2 U2msin(n- c«)t- а г, а на его выходе формируется сигнал, пропорциональный активной мощности обратного следования фаз

M2 U2l2COS l/)2

-U2t2cos 2(n- at )t- a 2- fl 2.

Выход перемножителя 17 является восемнадцатым выходом преобразователя и подключен также к входу первого сумматора 39. В результате на выходе сумматора 39 имеет место сигнал, пропорциональный суммарной активной мощности трехфазной цепи р 2 pi+p2 - это девятнадцатый выход преобразователя. На входы перемножителя 10 подаются сигналы H limsin(n+ «)t+/f ui UimCOs(n+ «)t+ «i, а на его выходе формируется сигнал, пропорциональный реактивной мощности прямого следования фаз

q uVii lhlisin y i-Uihsin 2(n+ ft))t+ «i+ a.

Выход перемножителя 10 - двадцатый выход преобразователя. Он подключен также на вход второго сумматора 40.

На входы четвертого перемножителя 18 подаются сигналы i2 l2msln(n- w)t- ft2 и U2 U2mcos(n-w)t-«2J. а на его выходе формируется сигнал, пропорциональный реактивной мощности обратного следования фаз

i2 U2l2Sin -L)2l2Sin 2(n-ft)t- (t 2- ft 2.

0

5

0

5

Выход перемножителя 18 является дваться первым выходом преобразователя и подключен также на второй вход второго сумматора 40.

В результате на выходе сумматора 40 имеет место сигнал, пропорциональный суммарной реактивной мощности трехфазной цепи q Ј-qi+Q2 - это двадцать второй выход преобразователя.

Формирователь образующих сигналов (ФОС) работает следующим образом.

ФОС содержит датчики обобщенного вектора токов 41. напряжений 42 и ортогонального обобщенного вектора напряжений 43. функциональная схема которых представлена на фиг. 3,

Работу датчиков обобщенных векторов токов 41 и напряжений 42 рассмотрим на примере первого, второй работает аналогично.

На входы масштабирующего сумматора 50 подаются токи трехфазной цепи ia. 1ь и ic в соответствии с выражениями (1). На выходе сумматора 50 формируется сигнал, пропорциональный проекции обобщенного вектора, в соответствии с соотношением 1, 1,

ix |la3ib 31с

В результате нескольких

0

5

0

5

0

5

преобразований можно показать, что:

ix llmSin(Wt+ /M)+l2mSin( (l)l+ft2) (3)

На входы масштабирующего сумматора 51 подаются токи ь и ic. На выходе сумматора 51 формируется сигнал, пропорциональный второй проекции обобщенного вектора iy Ре зультате несложных преобразований можно показать, что:

1mCOS( fit 1+ ft l)+l2inCOS( (l t+ ft 2) (4)

Выход сумматора 50 подключен на вход перемножителя 52. на второй вход которого присоединен также первый выход генератора опорных напряжений 2 с сигналом cosnt.

На выходе перемножителя 52 формируется сигнал

-cosnt -0,5l imSin((n- w )t- ft

0,51imsin {n+ w),5l2mSin(n- ш )t- ft

+0.5l2mSln(n+ M).(5)

Выход сумматора 51 подключен на вход перемножителя 53. на второй вход которого присоединен также второй вход генератора опорных напряжений 2 с сигналом sinnt. На выходе перемножителя 53 формируется сигнал:

-sinnt -0;5l imsin(n- at )t- ft 0,51 imsin(n+ a) )t+ ft i +0.5l2mSin(nШ )t- ft 2h-0,5l2mSin(n+ (t) )t+ ft 2 . (6)

Выход перемножителей 52 и 53 подключены на входы сумматора 54. не выходе которого формируется сигнал:

i i -i limsin(n+ tt)t+/3i -l2msin(n-w)(7)

Совершенно аналогично на выходе датчика обобщенного вектора напряжений 42 имеет место сигнал:

u u -u Uimsln(n+ fw)t+

+ «i -U2rnsln(n-w)(8)

В датчике ортогонального обобщенного вектора напряжений 43 первый выход генератора опорных напряжений 2с сигналом cosnt подключен к второму перемножителю 53, поэтому на его выходе формируется сигнал;

cosnt -0.5UimCOs(n- w)t-«ij-0.5UlmCOS(n+ ft)t+«l}+ +0,5U2mCOs(n-w)t-«2j+

+0,5U2mcos(n+ w)t+ (9)

Второй выход генератора 2 с сигналом sinnt подключен к входу первого перемножителя 52, поэтому на его выходе формируется сигнал:

Sinnt 0,5UlmCOS(n- w)t-«lj-0.5UimCos {n+ w)t+«ij+

+0,5U2mCOS(n- W )t- «2h

-0.5U2mcos(n+ «)t+osj-(10)

В результате на выходе сумматора 54 имеет место сигнал:

(ff+ff )UimCOs(n+ w)t+«ijU2mCOs(n-m)(11)

Выходные сигналы датчиков 41. 42 И 43 разделяются по частотам (п+ (а) и (n-ю) с помощью заграждающих фильтров 44-49. Заграждающие фильтры 44, 46 и 48 подавляют частоту (п- а), в результате на вых. 1,

вых. 3 и вых. 5 ФОС соответственно имеют место сигналы:

h limsin(n+ M)t+fii ;

ui Uimsin(n+ w) ui UimCos(n+ m)t+«i.

Заграждающие фильтры 45. 47 и 49 подавляют частоту (п+ at), а результате на вых. 2. вых. 4 и вых. 6 ФОС. соответственно, имеют место сигналы: i2 -l2mS n(n-«))t-/fe ;

U2 -U2mSin(n- W)t (&}. U2 -U2mCOS(n- W)t- (&.

Высокочастотные сигналы на выходах 1 и 3 преобразователя в симметричном режиме

трехфазной цепи пропорциональны соответственно току и напряжению фазы а. Поэтому на их основе могут быть повышены быстродействие и точность таких защит, как, например, защита турбогенератора от потери возбуждения и защита от двигательного режима.

Высокочастотные сигналы на выходах 2 и 4 преобразователя, пропорциональные, соответственно, мгновенным значениям симметричных составляющих обратного

следования фаз токов и напряжений могут быть использованы для повышения быстродействия, выявления различных несимметричных режимов. На их основе можно построить направленные реле сопротивления, позволяющие быстро регистрировать и отличать друг от друга различные неполно- фазные режимы энергосистем.

Остальные выходы преобразователя могут быть использованы для контроля качества электроэнергии, для построения различных реле в устройствах автоматики и измерений.

$ SP

Сэ CM

Ч Ч

«м

еФиг.З

Редактор О. Шальнева Техред М.Моргентал

Заказ 248

ТиражПодписное

НПО Патент Роспатента 113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Фиг.2

Выход

Корректор С.Патрушева