Устройство для измерения активных мощности и энергии Советский патент 1980 года по МПК G01R21/00 

Изобретение относится к электрическим измерениям, в частности к измерению мощности и энергии переменного тока.

Известны ваттметровые преобразователи реактивной мощности, основанные на использовании измерительных преобразователей активной мощности, со сдвигом по фазе на 90 напряжения или-тока с помощью фазосдвигающих схем 1.

Однако такие измерительные преобразователи при несинусоидальных режимах измеряют реактивную мощность с погрешностями, -так как для всех гармоник не обеспеч; 1вается сдвиг пр фазе на 90.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения активных мощности и энергии, содержащее два источника переменного нап{ яжения, трансформатор тока, два источника постоянных опорных напряжений различной полярности и логический блок 2.

Недостатком такого устройства является большая погрешность при изменении температуры окружающей среды, а также при старении элементов схемы.

Кроме того, в устройстве такого типа имеет место ошибка дискретности. Это особенно ощутимо при малых значениях тока, когда интервалы времени преобразователя тока будут малы. Поэтом при малых токах точность устройства уменьшается.

Цель изобретения - повьшение точности измерения при изменении темпе10ратуры, стабильности во времени, а также исключения дискретных погрешностей.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения ак15тивных мощности и энергии, содержащее два источника измеряемого напряжения, трансформатор тока/ два источника постоянных опорных напряжений различной полярности и логический

20 блок, введены интегратор, компаратор, шесть аналоговых ключей, три инвертора, преобразователь напряжения в частоту, конденсатор, подключенный к выходу первого и входу второго ана25логовых ключей, управлякяцие входы которых первого - непосредственно, а второго - через инвертор, подключены к выходу преобразователя напряжения в частоту, вход которого подключей к источнику измеряемого наряжения, выход второго ключа через последовательно соединенные интегратор, резистор и компаратор, выход которого подключен к выходной шине устройства, подключен к выходу логического блока, первый вход которого подключен к шине второго источника измеряемого напряжения, а второй вход - к управляющим входам третьего и четвертого аналоговых ключей непосредственно, и через инверторы - к уп-, равляющим входам пятого и шестого аналоговых ключей, причем входы четвертого и шестого аналоговых ключей подключены к шинам источников постоянных опорных напряжений различной полярности, а выходы этих ангшоговых ключей через резистор подключены к второму входу компаратора, вход первого аналогового ключа через третий и пятый аналоговые ключи подсоединен к выходным зажимам вторичной обмотки трансформатора тока.

Мгновенное значение измеряемого напряжения преобразуется в частоту прямоугольных импульсов, которыми управляются аналоговые ключи, поочередно подключая конденсатор, то ко вторичным зажимам трансформатора тока, при этом конденсатор заряжается, то ко входу интегратора, при этом конденсатор разряжаетсЯ|(первичная обмотка трансформатора тока подключается в токовую цепь нагрузки).

Таким образом, на выходе интегратора напряжение прямо пропорционально произведению напряжения, тока и времени, т. е. энергии. При наполнении интегратора производится изменение полярности интегрирования тока переключением на другой зажим вторичной обмотки трансформатора тока. Если конденсаторы на входе и в обратной связи интегратора однотипны, то влияния изменения параметров их при старении, при изменениях температур взаимно компенсируются.

На чертеже приведена структурная электрическая схема устройства.

В устройстве для измеренияактивных мощности и энергии шина источника измеряемого напряжения U подключается к; преобразователю 1 напряжения в частоту прямоугольных импульсов выход которого подключается к управляющим, входам аналоговых ключей 2 и 3 причем, к ключу 3 через инвертор 4. Вход ключа 2 подключается через аналог 3вые ключи 5 и б к одному из зажимов вторичной обмотки трансформатора тока 7, а выход - к конденсатору 8. Вход ключа 3 подключен к конденсатору 7, а выход - ко входу интегратора 9, который состоит из операционного усилителя с конденсатором в обратной связи.

К выходу интегратора 9 подключен один из входов компаратора 10, вторюй же вход компаратора подключается к шинам источников опорных напря - жений +UP или -Up соответственно через ключи 11 или 12. К выходу компаратора подключается логический блок 13 к выходу которого подключены управлякмцие зажимы ключей 6, 11 (непосредственно) и 5, 12 - через инверторы 14, 15.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемые напряжения и и U в начальный момент времени положительны. При этом ключи 5 и 12 открыты, а 6 и 11 закрыты. Ключи 2 и. 3 при .воздействии чередующихся сигналов преобразователя 1 напряжения в частоту поочередно то подключаются к напряжению +и, то ко входу интегратора 9. Выходное напряжение интегратора компаратором сравнивается с опорным напряжением +UQ ,

При наполнении интегратора 9 на выходе компаратора 10 изменяется знак напряжения, логический блок 13 закрывает ключи 5 и 12 и открывает ключи б и 11. Таким образом, конденсатор 8 подключается к напряжению -и, а выходное напряжение интегратора 9 сравнивается с опорным напряжением +Uc,.

При наполнении интегратора зарядами уже с противоположными знаками производится снова реверс.

Работа аналогична и при отрицателных напряжениях.

, Таким образом, на выходе интегратора 9 частотный сигнал, причем числ импульсов, прямо пропорционально энергии, а их частота следования - мощное ти.

Ключи 2 и 3 управляются преобразователем напряжения в частоту, подключая конденсатор то к напряжению . +и, то к интегратору с частотой пропорциональной мгновенному значению напряжения и.

При подключении конденсатора 8 к интегратору 9 конденсатор разряжается, и весь заряд передается на конденсатор обратной связи.

Таким образом, приращение напряжения на интеграторе 9 прямо пропор;ционально прдизведению частоты и и fu kuu, т. е. на .интеграторе формируется произведение двух напрятжений. Приращение напряжения суммируются, .следовательно, полное напряжение на выходе интегратора пропорционально энергии. Когда интегратор наполнится, т. е. достигнет предельного напряжения, срабатывает компаратор 10, переключением ключей 5 и б (один из них всегда открыт, а другой закрыт) конденсатор 8 подключается к обратной полярности -U и переключается полярностькомпаратора 10 переключением ключей 11 и 12. При этом конденсатор интегратора 9 разряжается и заряжается до предельного значения напряжения на выходе интегратора обратной полярности. Логический блок- 13 может быть раз ного исполнения, выполняемые функции его следую1цие.Допустим напряжение U положительное, и н и перемножаются, при t О ичтегратор 9 не заряжен. В этом случае ключ 5 открыт, открыт ключ 12, происходит накопление заряда. В этом интервале напряжение U, отрицательно следовательно, на интегратор поступа ет отрицательный заряд. При изменени знака и накапливается положитель- ный заряд, т. е. знак заряда соответствует знаку . Как только и станет отрицательным требуется изменить полярность U.,что бы получить соответствующую полярнос мгновенной мощности, т. е. при папожительном и мощность была бы отрица тельной при отрицательном токе - пол жительная. Но за несколько периодов интегратор накопил положительные заряды и отрицательное напряжение на заходе интегратора 9 сравняется с Uo и интегратор должен разряжаться. На выходе, компаратора изменяется напряжение на обратной и логический блок 13 переключает полярности U и U, на . обратные. В этом случае превалируют отрицательные заряды и на выходе интегратора накапливается отрицательное напря5кение и т. д. Таким образом, логический блок 13, во-первых, переключает ключами 5, 6 пютярность ±и в зависимости от напряжения .U , во-вторых, от полярности заряда интегратора 8 (по выходному напряжению компаратора) управляет ключами 11, 12. Формула изобретения Устройство для измерения активных мощности и энергии, содержащее два; источника измеряемого напряжения трансформатор тока, два источника постоянных опорных напряжений различной полярности и логический блок,. отличающеес я тем, что, с целью повыиения точности измерений при изменении температуры, стабильности во времени, а также исключения дискретных погрешностей в него введены интегратор, компаратор, шесть аналоговых ключей, три инвертора, преобразователь напряжения в частоту, конденсатор, подключенный к выходу первого и входу второго аналоговых ключей, управляющие нходы которых первого - непосредственно, а второго - через инвертор, подключены к выходу преобразователя напряжения в частоту, вход которого подключен к шине источника измеряемого напряжения , выход второго ключа через последовательно соединенные интегратор,резистор и компаратор, выход которого подключен к выходной шине устройства, подключен : выходу логического блока, первый вход которого подключен к шине второго источника изме- . ряемого напряжения, а второй вход - к управляющим входам третьего и четвертого аналоговых ключей непосредственно, и через инверторы - к управляющим входам пятого и шестого анйлоговых ключей, причем входы четвертого и шестого ансшоговых ключей под1{лючены к шинам источников постоянных опорных напряжений различной полярности,а выходы этих аналоговых ключей через резистор подключены к второму входу компара7гора,вход первого аналогового ключа через третий и пятый аналоговые ключи подсоединен к.входным зажимам втЪричной обмотки трансформатора тока. Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе 1.Арутюнов В. О. Электрические измерительные прибора и измерения. ГЭИ, М., 1958, § 9-4. 2.Авторское свидетельство СССР 464841, кл. G 01 R 21/00, 29.10.73.

-4 jN

т