Преобразователь составляющих основной гармоники переменного тока в код Советский патент 1993 года по МПК H03M1/60 G01R19/06 

Изобретение относится к электроизме- р тельной технике и предназначено для ис- пэльзования в системах автоматического управления промышленным электрообору- дэванием, например, регулирующими и к )мпенсирующими устройствами, а также в и нформационно-измерительных системах к нтроля и учета электроэнергии, выпол- нных на основе микроЭВМ.

Цель изобретения - повышение точно- ст .при измерениях частоты, измеряемого счгнала.На фиг. 1 приведена функциональная преобразователя составляющих основной гармоники переменного тока в код; на фиг, 2 показана функциональная схема блока задержки; на фиг. 3 приведены вре- г-енные диаграммы работы устройства.

Преобразователь составляющих основной гарм оники переменного тока в код содержит первичный преобразователь напря- t жения 1, первый и второй функциональные преобразователи 2 и 3, первичный преобразователь тока 4, фильтр нижних частот 5, блок задержки 6, первый и второй блоки перемножения 7 и 8. вычитающее устройство 9, умножитель частоты 10, пороговый элемент 11, первый и второй пребразователи напряжение-частота 12 и 13, первый и второй реверсивные счетчики 14 и 15.

В преобразователе составляющих основной гармоники переменного тока в код последовательно соединены первичный преобразователь напряжения 1, фильтр нижних частот 5 и умножитель частоты 10, выход которого подключен к объединенным информационным входам первого 2 и второго 3 функциональных преобразователей и синхронизирующим входам первого 12 и второго 13 преобразователей напряжениеСЛ

С

со со -ч

OJ

о -N

частота, пороговый элемент 11 включен между выходом первичного преобразователя напряжения 1 и объединенными управляющими входами первого 2 и второго 3 функциональных преобразователей, выхо- ды которых подключены к первым входам соответственно первого 7 и второго 8 блоков перемножения, вторые входы которых объединены и подключены к выходу вычитающего устройства 9, а выходы подключены к информационным входам соответственно первого 12 и второго 13 преобразователей напряжение-частота, первые и вторые входы которых подключены соответственно к суммирующему и вычитающему входам первого 14 и второго 15 реверсивных счетчиков, выходы которых служат выходами устройства, выход первичного преобразователя тока 4 подключен к информационному входу блока задержки 6 и суммирующему входу вычитающего устройства 9, вычитающий вход которого соединен с выходом блока задер- жки 6, синхронизирующий вход которого соединен с выходом умножителя частоты 10.

Блок задержки содержит компаратор 16; регистр последовательного приюближе- ния 17; первый и второй цифроаналоговые преобразователи 18 и 23; счетчик 19; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 20; формирователь коротких импульсов 21; буферный регистр 22. В блоке задержки первый вход компаратора 16 служит информационным входом, второй вход соединен с выходом первого цифроаналогово- го преобразователя 18, а выход подключен к D-входу регистра последовательного приближения 17, С-вход которого служит синхронизирующим входом блока, а выход подключен к входу первого цифроаналого- вого преобразователя 18 и шине данных оперативного запоминающего устройства 20, шина адреса которого соединена с выходом счетчика 19, а выход подлключен к входу буферного регистра 22, С-вход которого соединен с выходом формирователя коротких импульсов 21, а выход соединён с входом второго цифроаналогового преобразователя 23, выход которого служит выходом блока, S-вход регистра последовательного приближения 17, WR-вход ОЗУ 20, С-вход счетчика 19 и вход формирователя коротких импульсов 21 объединены и подключены к SS-входу регистра последовательного приближения 17.

Преобразователь составляющих основной гармоники переменного тока в код работает следующим образом. Напряжение питающей сети

и UMsin an, где UM - амплитуда;

о -частота,

поступает на вход первичного преобразователя напряжения 1, а с его выхода подается на вход порогового элемента 11 и фильтра

нижних частот 5. При этом выходной сигнал порогового элемента 11 имеет вид последовательности прямоугольных импульсов

file при ui 0 (0 t Т/2); uii Ч

(О при ui 0(Т/2 t Т),

где Ue const - напряжение, соответствующее уровню логической единицы.

Назначение фильтра нижних частот 5 состоит в подавлении высоко-частотных шумов, присутствующих, как правило, в спектре напряжения электрической сети. Параметры фильтра нижних частот 5 выбираются такими, чтобы он не вносил фазового сдвига для основной гармоники

напряжения; Таким образом, выходной сигнал фильтра нижних частот 5 представляет собой синусоидальное напряжение;

U5 UM5Sin lrt.

Сигнал с выхода фильтра нижних частот 5 поступает на вход умножителя частоты на п 10, на выходе которого формируются импульсы uid, частота которых пропорциональная частоте питающей сети

30

f ю:

(1)

где п - коэффициент передачи умножителя частоты 10, п 2000/ Т 1/f-период сети. Импульсы выхода умножителя час5 тоты поступают на информационные входы первого 2 и второго 3 функциональных преобразователей и синхронизирующие входы блока задержки 6 и первого 12 и второго 13 преобразователей напряжение-частота.

0 Измеряемый несинусоидальный ток

00

i(t) 2 Mt)sfn(meot-4 m)(2)

m -1

где m - номер гармоники;

5 1мт(1) - амплитуда m-ой гармоники тока; Ч m - фазовый сдвиг m-ой гармоники тока

преобразуется с помощью первичного преобразователя тока 4 в напряжение

0 ui(t) K4i(t),

где КА коэффициент передачи первичного преобразователя тока 4.

Сигнал ui(t) поступает на вход блока задержки 6, который задерживает напряже5 ние t/4(t)-H a время, равное периоду Т измеряемого тока:

00

ue(t) ui(t - Т) К4 2 lMm(t-T)(tm 1 -Т)-Ч m.

Сигналы с выходов первичного преоб- раз эвателя тока 4 и блока задержки 6 поступают соответственно на суммирующий и вы -итающий входы вычитающего устройства

I, на выходе которого формируется на- 5

пряжение

ug(t) - U4(t) - uc(t) K4i(t) - l(t - T) 00

2,Mt)- Mm(t-T)sln(m(yt- V m). (3)..

K4

m

1

Сигнал ug(t) поступает на вторые объединенные входы первого 7 и второго 8 бло- кои перемножения, на первых входах которых действуют напряжения с выходов сое тветственно первого 2 и второго 3 функциональных преобразователей.

Функциональные преобразователи 2 и 3 г редставляют собой цифровые формирр- ва ели опорных квазигармонических сигналов sinx и cosx.

Их работа происходит следующим об- paioM. В моменты времени, соответствую- Щ1 е положительным фронтам импульсов uv .т.е. в моменты, соответствующие началу (t : 0) каждого периода напряжения, функ

ональныке преобразователи 2 и 3 уста- вливаются выходным сигналом рогового элемента 11 ип в начальное соци

Не

по

стояние. Далее функциональные преобразователи 2 и 3 выполняют преобразование количества импульсов ию, поступающих с вь хода умножителя частоты 10 на их инфор- мгционные входы в квазигармонические сигналы

щ Uesin wt;(4)

13- Uecosftn.(5)

В результате опорные сигналы (4) и (5) строго синхронизированы с напряжением сети и, а их частота совпадает с частотой сети f.

Преобразование синфазной составляю- щ ;й основной гармоники переменного тока в сод осуществляется следующим образом. Первый блок перемножения 7 выполняет умножение сигнала ug(t) на опорный квази- Гермонический сигнал U2. В результате на Bi 1ходе первого блока перемножения 7 формируется сигнал

U7 (t)-i(t-T)Uesinwt,(6)

г; ie К - коэффициент передачи первого бло- .Kii перемножения 7.Сигнал U поступает на вход первого еобразователя напряжение-частота 12 и зеобразуется им в частоту f 12 следования ипульсрв..

Преобразователь напряжение-частота 1)2 представляет собой устройство синхронного типа. Среднее значение его выходной ч ютоты пропорционально входному напря- л ению и и частоте тактовых импульсов U ю.

поступающих с выхода умножителя частоты 10:

fi2 - Ki2fiqu7(t) при U7(t) 0; fi2 j

fn. Kl2flO U7(t) При U(t) 0,

где Ki2 - коэффициент передачи первого преобразователя напряжение-частота 12.

Если напряжение uy(t) 0, то выходные импульсы первого преобразователя напря- жение-частота 12 формируются на его первом выходе (+). если u(t) 0. то на втором выходе (-). Импульсы с первого и второго выходов первого преобразователя напряжение-частота 12 поступают соответственно на суммирующий и вычитающий входы первого реверсивного счетчика 14. В результате в момент времени t, t Т в первом реверсивном счетчике записывается число

N14 2 (U12 - U12 /Kl2flO U7(t)dt. (7)

t -T

где и (2. и ui2 J импульсы соответственно на первом и втором выходах первого преобразователя напряжение-частота 12. С уче- том (1), (2), (3) и (6) выражение (7) имеет вид:

г t°°

N14 K12 у/ K/lK7Slnft) t Ј |Mm(t) - - ч-Тm 1

fMm(t - T)Ue X Sln(murt -Ґ m)dt К/1К7К12ПиеТм1СОЗ 1 Ксф(м1С08 , ( 8)

где IM1 - среднее на скользящем интервале времени значение амплитуды основной гармоники;

Ксф - K4K7Ki2nUe - коэффициент передачи преобразователя по каналу синфазной составляющей.

Таким образом на выходе первого реверсивного счетчика 14 непрерывно формируется код (8), пропорциональный среднему значению синфазной составляющей основной гармоники за период измеряемого тока. При этом знак записанного числа опереля- ется значением старшего разряда счетчика

-)4: положительному значению соответствует 0, отрицательному 1.

Преобразование квадратурной составляющей основной гармоники переменного тока в код осуществляется следующим образом. Второй блок перемножения 8 выполняет умножение сигнала ug(t) на опорной, квазигармонический сигнал из. В результа- те на выходе второго блока перемножения 8 формируется сигнал.

ua(t) K-iKeWt) - l(t - T)Uecos wt. (9) где Кв - коэффициент передачи второго блока перемножения 8.

Сигнал Vu8(t) поступает на вход второго преобразователя напряжение-частота 13 и

преобразуется им в частоту следования импульсов

f 13+ Ki3f ioti8(t) при ua(t) 0;

f13 1

1 fia Kiafio ue(t) при ue(t) 0, где К 1з - коэффициент передачи второго преобразователя напряжение-частота.

Импульсы с первого (+) и второго (-) выходов второго преобразователя напряжение-частота 13 поступают соответственно на суммирующий и вычитающий входы второго реверсивного счетчика 15. В результате в момент времени t, t Т, во втором реверсивном счетчике записывается число.г

JI

N15 ЦЛЗ - U13) « JK.13flOU8(t)dt, (Ю)

t-Т

где ui3+, im - импульсы соответственно на первом и втором выходах первого преобразователя напряжение-частота 13.

С учетом (1), (2), (3) и (9) выражение (10) имеет вид:

n tоо

N15 К13 Y / K-qKecOSrm X IJM.mW - -lMm(t- 4 -T

- T) x sin(m «t -4 m)dt

1 7jK4K8Kl3nlM1UeSim/ 1 Ккв1м151П , (11).

где Ккв MKsKianUe - коэффициент передачи преобразователя по каналу квадратурной составляющей.

Таким образом на выходе второго реверсивного счетчика 15 непрерывно формируется код (11), пропорциональный среднему значению квадратурной составляющей основной гармоники переменного тока. Знак записанного числа определяются значением старшего разряда второго реверсивного счетчика 15: положительному значению соответствует 0, отрицательному 1.

Блок задержки работает следующим образом. Компаратор 16, регистр последовательных приближений 17 и первый цифроаналоговый преобразователь 18 представляют собой аналого-цифровой преобразователь последовательных приближений с помощью которого входной аналоговый сигнал U4 преобразуется в код Ni на выходе регистра последовательных приближений 17. Код с выхода регистра 17 записывается в ОЗУ 20. Запись стробирует- ся сигналом конец преобразования (SS) регистра 17. Адрес ОЗУ 20 формируется двоичным счетчиком 19, на С-вход которого поступает сигнал конец преобразования (SS) с выхода регистра 17. После записи нового значения кода в ОЗУ 20 происходит приращение адреса и запись в буферный

регистр 22 по стробирующему сигналу с формирователя коротких импульсов из ОЗУ 20 кода, записанного 2 - - 1 тактов, ранее (N- разрядность счетчика адреса 19), Код с

выхода буферного регистра 22 транслируется на второй цифроаналоговый преобразователь 23, на выходе которого формируется аналоговый сигнал, задержанный относительно входного на 2N тактов.

Длительность задержки с учетом (1) определяет ся соотношением

Тз ,). ,(12)

где К-разрядность кода на выходе регистра 17.

Если параметры устройства выбрать таким образом,что

2N(K + 1 )

п

то в соответствии с выражением (12) величина задержки Т3 строго равна периоду сети Т3 Тс и не зависит от изменений частоты сети.

В. результате, преобразование синфазной и квадратурной составляющих основной гармоники переменного тока в код в предлагаемом устройстве овуществляется цифровым интегрированием произведения

сигнала, пропорционального разности i(t)- i(t - Т), на опорные синусоидальный и коси- нусоидальный сигналы на скользящем интервале усреднения, равном периоду измеряемого тока.

При этом устройство имеет повышенную точность при изменениях частоты изме- ряемого тока за счет поддержания интервала интегрирования и величины задержки равными периоду тока.

Формула изобретения

Преобразователь составляющих основной гармоники переменного тока в код, содержащий последовательно соединенные первичный преобразователь напряжения,

фильтр нижних частот и умножитель частоты, выход которого подключен к информационным входам первого и второго функциональных преобразователей и синхронизирующим входам первого и второго

преобразователей напряжение-частота, пороговый элемент, включенный между выходом первичного преобразователя напряжения и управляющими входами первого и второго функциональных преобразователей, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго блоков перемножения, выходы которых соединены с информационными входами первого и второго преобразователей напряжение-частота, первичный преобраэователь тока, вход которого и вход пер- в очного преобразователя напряжения явля- ктся соответственно первой и второй вводными шинами, первый и второй ревер- с 1виые счетчики, выходы которых являются сэответственно первой и второй выходными шинами, отличающийся тем. что, с целью повышения точности при изменени- я частоты измеряемого сигнала, в него вве- дены блок задержки и вычитающее у :тройство, а первый и второй преобразова- тзли напряжение-частота выполнены двух- полярными, информационный вход блока эдержки подключен к выходу первичного реобразователя тока, синхронизирующий вход - соединен с выходом умножителя частоты, а выход подключен к вычитающему в|ходу вычитающего устройства, суммирующий вход которого подключен к выходу пер- йичного преобразователя тока, а выход сэединен со вторыми входами первого и йторого блоков перемножения, первые и вторые выходы первого и второго преобразователей напряжение-частота подключены соответственно к суммирующему и вычита- ющему входам первого и второго реверсивных счетчиков.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- и и с я тем, что блок задержки выполнен На регистре последовательного приближе-

ния, оперативном запоминающем устройстве, счетчике, буферном регистре, формирователе коротких импульсов, первом и втором цифроаналоговом преобразователе и компараторе, первый вход которого является информационным входом блока, второй вход соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователяв а выход подключен к информационному входу регистра последовательного приближения, синхронизирующий вход которого является синхронизирующим входом блока, а выходы подключены к входам первого цифроаиало- гового преобразователя и входам данных оперативного запоминающего устройства, входы адреса которого соединены с выходами счетчика, а выходы подключены к информационным входам буферного регистра, синхронизирующий вход которого подключен к выходу формирователя коротких импульсов, а выходы соединены со входами второго цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом блока, вход записи регистра последовательного приближения, вход записи оперативного запоминающего устройства, счетный вход счетчика и вход формирователя коротких импульсов объединены и подключены к выходу конец преобразования регистра последовательного приближения.

/4

IS

V V

Фиг. I