УСТРОЙСТВО для ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ:!оюзя-°-^'-^^•^?ПНП-.ТслНл^;::^:^:;:| Советский патент 1972 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к устройствам дли измерения мощности, в частности для измерения активной и реактивной мощности любой гармоники сигнала сложной формы в ненрерывном и импульсном режимах в широкой нолосе частот. В известиых устройствах для и: мерения мощности первой гармоники сигнала сложной формы, содержащих квадратор ii умножители на датчиках Холла, катуилки индуктивности первого н второго датчиков через стабилизатор тока и через последовательно включенные стабилизатор и фазовращатель подключены к выходу задающего генератора, а блоки управления импульсным режимом, блок памяти, интеграторы, усилители, ключи, реле, делители тока и напряжения, выпрямители, регистратор соединены между собой.

Все известные устройства обладают недостаточным быстродействием. В устройстве предложенной конструкции к выходу задающего генератора подключен блок управления интегратора.ми, включающий в себя последовательно соединенные усилитель, дифференцирующую цепочку, ключ, двоичный счетчик и второй ключ, к выходу которого подтслючен вход ждущего мультивибратора и одни из установочных входов двух триггеров, второй установочный вход одного из триггеров соединен через нере.ключатель с выходами дву. блоков ираилеиня импульсным режимом, а выход иодключеи к уиравляюнгему входу норвого ключа блока управления интеграгорами;

четыре выхода двух умножителей на датчиках Холла, катун К11 индуктивности которых соединены с вы.ода:1П1 стабилизаторов тока, иод1сдючеиы через последовательно вк.;1ючеиные усилители, 1члюч 1, интеграторы, вторые

ключи, блоки памяти и вторые усилители к катушкам индуктивности двух других умножителей иа датчиках Холла н через контакты реле - к сам.им датчикам, причем управляющие входы ключей соединены соответственно

с -выходом второго триггера и выходом ждущего мультивибратора блока управления интеграторами; первый из умножителей ia дагчнках Холла содержит дополнительную катушку индуктивности, присоединенную через

усилитель и выпрямитель ко входу квадратора на датчике Холла, подключенного выход(Л1 к одному из входов пятого умножителя на датчике Холла, катушка индуктивности когорого соединена через усилитель с контактами

реле, а выход подключен к регистратору; первый и второй умножители содержат по дополнительному датчику Холла, которые соединеиы последовательно и подключены через усилитель и демодулятор к управляющему входу Холла указанных умножителей соединены с выходами делителей тока н напряжения. Это позволило повысить быстродействие при измерении мощности в импульсном и неnpepbjiBHOM режимах. На фит. 1 атрлведена схема устройсгва; Jia фнг. 2 изображена диаграмма, ноясниюш.ая его работу. Усгройство см. фнг. 1) содержит задающие енераторы /, 2, ключ 3, усилитель мощностн -/, luvjHHciiHyio нагрузку 5, 6jjoJvH 6 и / управления нмпульсны.м ре/кимом, умножители -12 н )атор /J на датчиках Холла, делитель напряжен 1я 14, делнтель тока j5, ждущ1И1 Aiy.iibiHiBHCjpaiop /6, ключ У/, двоичиый счеччик 18, ключ У.У, диффереп1и1ру1ои1,у1о цеи.ОЧку 20, усилитель- 21, триггеры 22 и 2: усил1Г1ели 24, ключ.н 2й, иите1раторы 26, к.чючи 27, блоки памяти 28, усилители 29 и W, регистратор 3i, реле Vl-, стабилизатор тока о ,), усилитель 34, выпрямитель , датчики Холjja об и 37, усилитель 38, демодулмчОр 39, фазов аии1тель 40, стабилизатор тока 41 и ждупи1Й мультив 1братор 42. Принции работы устройства состой в том, что измерме1мые гармонические составляющие и /im (см. фиг. 2) иредстаилеиы в виде векторов, модуль которых при юр1;ионалеи а.нли1уде гармоннческо составляющей в )iaгруз1ке, а фазовый сдвнг равен угловому расстоянию между модулем и некоторой коордииатиой онориой гармоиичаской составляющей, нрнни.маемой за и.меюидую нулевое значение фазы в момеит времеип . Вектор, соответствующий эгой опорной гармоничеокой cocтaвляюп eй, образует одну из координатных осей диаграммы (синфазную), а вектор, имеющий по отношеиию к пему фазовы il едвнг 9и, образует квадратную координатную ось. Проекции векторов н /щ, на соответсгвующие координатные оси дают квадратурные и си и фазные соста:вляющие тока и напряжения HepBoii )армоиики в нагрузке. Обозначение на диаграмме; im, т - амплитудное значение гармонических еоставляющ,их напряжения и тока первой гармоники з нагрузке; 1.%-, -/ь-с - синфазные и квадратурные соblj/, /1у ставляющие векторов а, - угол между начальной фазой синфазной координаты и модулем тока; р - угол между начальной фазой синфазной координаты и модулем нанряження; Ф - фазовый сдвнг между током и напряжением нервой гармонии в нагрузке; де г|.ь начальная фаза нндукции; i);, .|.-ц - ачальные фазы тока н напряжения первой арлгопнки. В качестве опорных гармоинческнх колебаий в устройстве Выбрана индукция магн1ггого ноля умножителей Холла 8 к 9 (фиг. 1), мплитуда которой нор.мализована до единичой (условно) величины координатных напряений за счет стабилизации тока в катушке множителей Холла л- :::- В,„ COS llV - COS W.t; (2) //::-: B,,,SinW,( - SmW.L(3) айдем 1И 1ражен11е для онределеиия активной I penKTiUiiKJi) .мсян.ности HopBoii гармоникн -в нагрузке че|)ез синфазные н квадратурные оставляющне тока и напряжеиия. , акт /, эф-cos х;(4) де /,эф-||; ,эф--у|-. пределим /щф, |эф, cos q; через значение вад|)ат рных ; синфазиыч составлякяцих из диаграм.мы фиг. 2. Лл r iw --- I /I-. + ; /18Ф-- 1/ u,,,,vu,,y.и у Согласно уравнению (1) -ь-r; tg--tg(3-.).. 1 1 tgr-tg-f Определим значение tgcc и tg p из диаграммы tg tg3 Подставив значения tga и tgp в уравнение (8) и рещив его, получим i.c ly - . A/ ly-/U- lv Определим значение cos ф и.81пф -- (0) cos «с. ::-. Fl + tg4. Kl-ftg y Подста;вив значение tg ф из (9,) и решив уравнение, получим: Ал- + ly Ay cos --77™ - -- /t-l. + U,y,I./1,. -1-/, Ay lv-4v- ly /&,.: u,y., у Л.з+Ауз Из выражений (4, 5, G, 11, 12) найдем °i акт - (иЛл-+ ) I реакт --. ( ly у хг Функциональная схема устройства представлена на фиг. 1. Узлы, обведенные штрих-пунктирО, в состав лрибора не входят. Сигнал от задающего генератора / через ключ 3, управляемый блоком управления импульсным режимом 6, через усилитель мощности 4, поступает в нелинейпую нагрузку 5. Для создания опорных координатных осей гармонический сигнал .снимается с задающего генератора /, который работает в непрерывном режиме, и подается через стабилизатор тока 33 на катушку индуктивности умнонсителя 5, а также через фазоврандатель 40 и стабилизатор тока 41 - на катушку индуктивности умножителя 9. Для управления фазовращателем в поле катушки умножителя 8 размещен датчик Холла 36, включенный последовательно с катушкой умножителя 9. Постояйная составляющая иа выходе датчика 36 определяется из выражения и - kBl kB, sin (Н7, + h) X X /„, sin d -f V,,); ;7, ,5„/,„соз(0,,-,,); 5,„ r const; /,„ ; const, тде k, k -коэффициент пропорциональности; фь-начальные фазы индукции и Постоянная составляющая напряжения с датчика Холла 36 подается на датчик Холла 37, служащий модулятором и расположенный в магнитном поле катушки умножителя 9, а переменная составляюшая отфильтровывается емкостью. Промодулнрованное переменным полем улгиожителя 9 напряжение с выхода датчика Холла 37, усиленное усилителем 38 и выпрямленное демодулятором 39, управляет фазовращателем 40. Фазовращатель поворачивает фазу тока катушки умножителя 9 до тех нор, пока разность т|,-ь-г|-б1 не станет рзвной 90°. в этом случае постоянная составляюш,ая на выходе датчика 36 равна нулю. Такая схема позлоляет в широком диапазоне частот поддержт вать фазовый сдвиг 90° с точностью . Если сигиал в нагрузке 5 представляет собой периодическую функцию f(0. удовлетворяющую условиям Дирихле, то несинусоидальные функции мгновенных значений напряжения и(t) и тока I{t} могут быть представлены рядами Фурье: f/(),cosir,i-f L/,,,г4.-+ y.(«;rCOs«U7.,sin«lF,0; (16) . - . /гТ2- I(f},.,W3W,,,,slnW,t + +(,,.,t, (17) nx, . Uni, - синфазн1- 1е и квадратурные оставляющие гар лоник сигнала. Выражения для онреде.пения синфазных и вадратурных составляюнптх напряжения и ока ие1.1во1 IcipMoniiKii г, iiaipysKc оинечелятся как коэффициенты Фурье по формулам йлера - Фурье: и,.,- 2, U(t)cosW,Mf о U,,.(f.sinW,(: о (/(/.) cos IF,и/; /,, 2f, /,,, 2.J/()sinlF,/«. о Подставив эти значения в выражение (13-14), получаем формулу для опрсделен 1я активной и реактивной мощности первой гармоники. Я,,,, 2f I {и (/) cos W,( (/) cos W,iiU + + U{i} sin W,fM { I (f sin W,tdi, (22) - 2П (-(f} cos W.fdf f l(t)smW,f:l/+ + ,((,fdi. (23) b6. В приведенных формулах cos UV и sinW,/ определяются напряжениями спорных (координатных) нектор в, так как их амплитуда нормализована. Схема измср11толя монщостп реализует выражение (22) и (23). Работа . С делителя тока /5 и делителя напряжения /-/ перподическ-ие напряжения, иропорциональные току /(/), и папряжсиия t/(/) в нагрузке 5 подаются па умножители на датчиках Холла (8 и 9. Умножитель (S-выполняет спнфазпого операцию умножения опорного вектора на Г (/) и /(/), т. е. Lf(f),f и /, (/)со8 и/,Л умножитель 9 - U(,( и I(f.smW,i. С умножителей 8 и .9 сигналы подаются на усилители 2/ и через ключи 25 - па интеграторы 26. Интеграторы 26 интегрируют вЫраячения (4. 25) за пдин или несколько периодов и передают результат через ключи 27 в блок памяти 28.. . Блок памятп сохратет иифop iaиию о измеряемых параметрах в пауза.х между пмпульсами. С блока памяти сигналы через усилители постоянного тока 29 поступают ня умножители на датчиках Холла 10, 11. Умножители выполняют операцию умножения проннтегрированных сигналов. Блок реле 32 служит для переключения элементов схемы при нереходе с измерения активной мощности к измерению реактивной мощности. Онерацин суммирования илн вычпта}П1я выполняются согласным или встречным включением выходов датчиков Холла умножителей 10 и //. Суммарный или разностный сигнал с умножителей Холла 10, II усиливается усилителем 30 и поступает на умножитель на датчиках Холла 12. Умножитель 12 выполняет операцию умножения полученного результата на квадрат частоты первой гармоники. Для получения напряжения, пропорционального частоте, в умножителе 5 имеется дополнительная обмотка. Напряжение, индуктируемое в этой об1 готке, описывается формулой и SB,,,W,cosW,f, (26) где ,nsm 5 - сечение магнитопровода. ПОСКОЛЬКУ 5 const; 5m const, то U ricos . Напряжение, пропорциональное частоте, через усилитель 34 и выпрямитель Л5 поступает на квадратирующее устройство 13, выполне; ное на датчиках Холла. С квадратирующего устройства сигнал поступает на умножитель 12. С выхода улпюжптеля 12 сигнал, пропорциональный проходящей мощности первой гапмоники в нагрузку, подается на регистратор 31. Для измерения про.ходящей .моапюсти /г-й гармоники необходимо для получения коо|1дннатных гармонических колебаний подьлюч1ггь прибор к независимому задающедгу генератору 2, частоту которого можно перестра 1вать в соответствии с измеряемой гармонткой. Для выбора времени интегрирования и разряда емкости интегратора в схеме предусмотрена схелга автоматнческого правлсиня. Работа схемы автоматического управления. С переключателя режима работы сигнал подается на триггер 22, в нмпульсном режиме от блока управления импульсным режимом б (н1 гпульсного геггератора), а в непрер1лвномот внутреннего генератора нмнульсов 7. Триггер 22 срабатывает от продифферениироваиного переднего фронта импульса и открывает ключ 19. От задающего, генератора / или 2 сигнал с частотной измеряемой гармоники, ограниченный усилителем 21 и продифференцированный цепочкой 20, поступает на двоичный счетчик 18 и на вход триггера 23. Триггер 23 срабатывает и открывает ключи 25 на входе интеграторов 26, четко зафиксировав тем самым начало периода измеряемой гармозаписанного числа отсчитывает п мпульсов и открывает ключ П. С приходом fn П-импульса на выхоле ключа 17 появляется импульс, который возвращает в состояние триггер 22, который закрывает ключ 19, а также возвращает в исходное сОСтояяие триггер 23, который закрывает ключи 22, и запускает жлущий мультивибратор 16. Ждущий мультивибратор 16 открывает ключи 27 и дает тем самым возможность интеграторам передать информацию о измеримом сигнале в блок памяти, а та:кже произвести сброс счетчика. Задним фронтом ждущий мультивибратор 16 запускает ждущий мультивибратор 42, который включает разрядные устройства интеграторов 26. При приходе следующего импульса процесСЫ повторяются. Такая схема позволяет зафиксировать начало и конец периода, а также дает возможность записью числа в счетчик 18 вести измерение за число периодов (л+1), где , 2, 4, 8. Предмет изобретения Устройство для измерения мощности первой гармоники сигнала сложной формы, содержащее квадратор и умножители на датчиках Холла, катущки индуктивности первого и второго датчиков через стабилизатор и через последовательно включенные стабмлизатор тока и фазовращатель подключены к выходу задающего генератора, а также соединенные между собой блоки управления импульсным режимом, блок памяти, интеграторы, усилители, ключи, реле, делители тока и напряжения, выпрямнтели и регистратор, огличающееся тем, что, с целью повыщения быстродействия при имзерении мощности в импульсном и непрерывном режимах, оно содержтгг подключенный к выходу задающего генератора блок управления интеграторами, включаютний в себя последовательно соединенные усилитель, дифференцирующую цепочку, ключ, двоичный счетчик и второй ключ, к выходу которого подключен вход ждущего мультивибратора и один из установочных входов двух триггеров, второй установочный вход одного нз триггеров соединен через переключатель с выходами двух блоков управления пмнульснылг режимом, а выход подключен к управляющему входу первого ключа блока управления интеграторами; четыре выхода двух умножителей на датчиках Холла, кагущки индуктивности которы.х соединены с вы.ходами стабилизаторов тока, подключены через последовательно включенные усилители, ключи, интеграторы, вторые ключи, блоки памяти и вторые усилители к хатущкам индуктивности двух других умножителей на датчиках Холла и через контакты реле - к самим датчикам, причем управляющие входы ключей соединены соответственно с выходом второго триггера и выходом ждущего мультивибратоH:t умножителей на датчиках Холла содержит дополнительную катушку индуктивности, присоединенную через усилитель и выпрямитель lio входу квадратора на датчике Холла, подключенного выходом к одному из входов пятого умножителя на датчике Холла, катушка индуктивности которого соединена через усилитель с контактами реле, а выход подключен

к регистратору; первый н второй умнол ители содержат по дополнительному датчику Холла, которые соединены последовательно и подключены через усилитель и демодулятор к управляюшему входу фазовращателя, причем основные датчики Холла указанных умножителей соединены с выходами делителей тока и напряжения.