Устройство для измерения симметричных составляющих напряжений трехфазной сети Советский патент 1980 года по МПК G01R29/16 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения симметричных составляющих основной частоты и гармоник напряжений трехфазной сети.

Известно устройство для измерения симметричных составляющих прямой и обратной последовательностей системы трехфазных напряжений, которое содержит фильтр боковой частоты, преобразователь трехфазной системы напряжений в т-фазную, двухполупериодные выпрямители, частотно избирательный фильтр, вольтметр 1 . Это устройство позволяет измерять симметричные составляющие гармоник напряжений трехфазной сети. Однако применение громоздких и сложных в изготовлении многофазных трансформаторов, необходимость подбора диодов по вдентичным вольтамперным характеристикам, а также применение селективных фильтров, настроенных на различные гармоники напряжения, понижает точность определения симметричных составляющих напряжений.

Известао также устройство для измерения амшштудно-фазовой несимметрии трехфазной системы напряжений, которое содержит генератор модулирующих напряжений, три одинаковых кольцевых модулятора, входы которых присоединены к фазовым проводам трехфазной-системы и к генератору модулирующих напряжений, индикатор 2. К погрешностям этого устройства относится трудность пoлJfчeния трехфазной системы модулирующих напряжений, имеющих постоянный фазовый сдвиг, равный 27г/3, наличие двух перестраиваемых фазосдвигающих цепей, которые затрудняют настройку устройства

10 по максимальному показанию индикатора, недостаточно высокая точность измерения.

Цель изобретения - повыщение точности и расширение функциональных возможностей.

Достигается это тем, что в устройство для

15 измерения симметричных составляющих напряжений трехфазной сети, содержащее генератор, блок сдвига фазы и индикатор введены блок суммирования напряжений, песеключатель, блок умножения, дешифратор на восемь входов,

20 счетчик, состоящий из двух последовательно соединеннььч триггеров, умножитель частоты, преобразователь кода в число импульсов, делитель напряжений, два фильтра низких частот, два элемента И и пять управляемых ключей, причем входные шины через блок суммирования напряжений и переключатель подключены к вхо дам первого , второго и третьего ключей, управляющие входы которых подключены к выходам дешифратора, а выходы ключей объединены и подключены к входу блока умножения к двум установочным входам которого подклю чены выходы элементов И, к управляющему входу - выход преобразователя кода в число импульсов, к управляющему входу которого подключен задатчик номера гармоники, одна и входных щин через умножитель частоты подключена к входу преобразователя кода в число импульсов, и к первому входу блока сдвига, фазы, второй вход которого через первый фильтр низкой частоты и четвертый управляемы ключ, а третий вход через делитель напряжения второй фильтр низкой частоты и пятый управляемый ключ подключены к выходу блока ум ножения, выход блока сдвига фаз подключен к первым входам злементов И и к входу первого триггера счетчика, выходы первого триггера счетчика подключены к нечетным входам дешифратора и к вторым входам элементов И, выходы второго триггера подключены к четным входам дешифратора и к управляющим входам четвертого и пятого ключей, а выход второго фильтра низкой частоты подключен к индикато РУ-. При этом блок умножения содержит распределительное устройство, ключи, взвешивающие резисторы и операционный усилитель с резистором обратной связи, причем входы распределительного устройства подключены к установочным и управляющему входам блока умножени а его выходы через ключи и взвешивающие ре зисторы подключены к входу операщюнного усилителя, выход которого является выходом блока умножения, а дешифратор выполнен в виде четырех элементов И и элемента ИЛИ, причем выходы двух элементов И подключены к выходу дешифратора непосредственно, а выходы двух других элементов через элемент ИЛИ. На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения симметричных составляющи напряжений трехфазной сети. Входные шины А, В, С через блок 1 сумми рования напряжений, переключатель 2, ключи 3 4, 5 соединены с блоком 6 умножения. Одна из входных шин через умножитель частоты 7 подключена к первому входу блока 8 сдвига фазы импульсов. Выход умножителя частоты чере преобразователь 9 кода в число импульсов, к управляющим входам которого присоединен задатчик 10 номера гармонягки, подклю чен к заправляющему входу блока умножения. Выход блока умножения через ключи И, 12 соединен с фильтрами 13, 14 низких частот. Выход фильтра 13 присоединен к второму входу блока сдвига фазы, а выход фильтра 14 к индикатору 15, а через делитель 16 напряжения - к третьему входу блока сдвига фазы, выход которого подключен к счетчику 17, который состоит из триггеров 18, 19, и к первым входам элементов И 20 и 21. Вторые входы элементов И 20 и 21 присоединены к триггеру 18, а их выходы - к установочным входам блока умножения. Выходы триггера 19 подключены к управляющим входам ключей 11 и 12. Вь1ходы счетчика через дешифратор 22 соединены суправляющими входами ключей-3, 4 и 5. Блок умножения содержит распределительное устройство 23, установочные входы которого подключены к элемешгам И 20 и 21, а управляющий вход - к преобразователю кода в число импульсов, ключи 24, управляющие входы которых соединены с выходами распределительного устройства, взвешивающие резисторы 25, которые подключены к входу операционного усилителя 26, охваченного обратной связью через резистор 27. Взвешивающие резисторы 25 через ключи 24 присоединены к выходам ключей 3, 4 и 5. Дешифратор 22 содержит элементы И 28-31, входы которых соединены с выходами счетчика 17, и элемент ИЛИ 32. При этом выходы элементов И 28 и 29 объединены через элемент ИЛИ 32 и Подключены к управляющему входу ключа 3, а выходы элементов 30 и 31 - к управляющим входам ключей 4 и 5. Один цикл работы устройства соответствует четырем периодам напряжения сети. Блок 1 суммирования напряжений содержит гомерительные трансформаторы, первичные обмотки которых подключены к входным щинам, а вторичные обмотки соединены таким образом, чтобы на выходах 33-36 блока 1 напряжения были соответственно равные Ui -5(UA ) i(UA- UR-iU,) (Uc - Ug) (UB- Uc) где Уд, Ug, Ug - фазные напряжения трехфазной сети. Левое по схеме положение переключателя 2 . соответствует режиму измерения напряжения нулевой последовательности UQ, при этом напряжение Uj подается на вход ключа 5, а входы ключей 4 и 3 подключаются к общей пшне. Среднее по схеме положение перек.гпочателя 2 соответствует режиму гамерения напряжения прямой последовательности Ц, при этом на вход ключа 5 подается напряжение УЗ на вход 57 ключа 4 - нанряжение УЗ, на вход ключа 3 напряжение U. Правое по схеме положение переключателя 2 соответствует режиму измерения напряжения обратной последовательности U, при этом на вход ключа 5 подается напряжение Uj, на вход ключа 4 - напряжение U4, на вход ключа 3 - напряжение УЗ. Номер гармоники исследуемой симметричной составляющей напряжения устанавливается на задатчике 10. Распределительное устройство 23 имеет 2 устойчивых состоя11ИЙ, причем каждому состоянию S соответствует подключение определенного взвешивающего резистора. Естественной смене состояний распределительного устройства 23 соответствует последовательное во времени подключение взвешивающих резисторов 25 ч рез ключи 24 к выходу одного из управляемы ключей 3, 4 и 5, необходимое для умножения напряжения Us в точке 37 на входе коммутир ющих ключей 24 на синусоиду, период которой равен периоду напряжения сети. При этом опре деляется синусная ортогональная составляющая первой гармоники Ue напряжения Us, т.е. состоянию S распределительного устройства 23 соответствует подключение резистора, сопротивлениекоторого равно /Ro/sin()/ к шине fUs, если О S 2 или к щине -Us если . 2(напряжение -Us получается инвертированием входного напряжения ключей 24). Очевидно, для того, чтобы среднее значе ше выходного напряжения усилителя 26 за пе риод было пропор11,ионально синусной Uy или косинусной и./, ортогональным составляющим 7-ой гармоники напряжения U; в точке 37, k-ая выборка этого напряжения должна y шoжатг)ся на sin ( k7) или cosC-k-y), т.е. производиться при состоянии S| распределитель ного устройства 23 соответственно S modj (kr);(2) Sj mod2m( kT).(3) Тогда средние значения напряжений за период лри определении Ur.. , Uc. соответственно равны .) rt /ч. Г| И V Ugl kjcos ( т RO bi где п 2 число выборок за период напряжения сети за период Т; At время на которое замыкает ся ключ 24; - сопротивление резистора 27; Us (- к - мгновенное значение напряжения Uj в момент k-ой выборки. Импутсы с выхода умножителя частоты 7, период которых равен Т/п поступают на первый вход блока 8 сдвига фазы импульсов. Выходной импульс блока 8 совпадает с одним из выходов импульсов умножителя частоты 7 и сдвинут по фазе относительно входного напряжения умножителя частоты 7. В зависимости от соотношения напряжений на втором и третье.м входах блока 8, угол сдвига фазы выходного импульса блока 8 относительно входного напряжения умножителя частоты 7 бу- . дет увеличиваться, если иб -КдУ,(5) ИЛ1 уменьшаться, если Us Кди,,(6) где U(, - напряжение на выходе фильтра и, - напряжение на выходе фильтра 14; коэффициент передачи делителя 16 напряжения. Если вьшолняется соотнощение I Ue Кд и,,(7) то фаза выходного импульса блока 8 не изменяется. Импульс с выхода блока 8 поступает на счетный вход счетчика 17 т элементы И 20, 21. Этот импульс пройдет на первом и третьем периодах цикла работы устройства через элемент И 20 и установит распределительное устройство 23 в начальное состояние SQ О, а на втором и четвертом периодах - через элемент И 21 и установит распределительное устройство 23 в начальное состояние So 2 . Импульсы с выхода умножителя частоты 7 поступают на преобразователь 9 кода в число импульсов. На выходе преобразователя 9 после каждого входного импульса формируется пачка импульсов, число импульсов в которой равно коду, установленному в задатчике 10 номера гармоники. Эта пачка импульсов поступает на управляющий вход распределительного устройства 23. Начало периода Т отсчитьшается от выходного импульса блока 8. После k-ro от начала периода Т импульса умножителя частоты 7 состояние 8ц распределительного устройства 23 будет описываться формулой (2) на первом и третьем периодах цикла работы устройства или формулой (3) - на втором и четвертом периодах. Выходы триггеров 18 и 19 подключены через дешифратор 22 к управляющим входам ключей 3, 4 и 5, а выходы триггера 19 еще и к ключам 11 и 12. В дешифраторе 22 элемента И 28 открывается на первом периоде цикл;а работы устройства, элемент И 29 - на четвертом, элемент И 30 - на втором, элемент И 31 - на третьем. Выходы элементов И 28 и 29 объединены через элемент ИЛИ 32, поэтому ключ 3 открыт на первом и четвертом периодах цикла работы устрО1я;тва, ключ 4 - на втором, ключ 5 - на третьем, ключ 11 на третьем и четвертом, ключ 12 - на первом и втором. На первом периоде цикла работы устройства определяется синусная ортогональная, составляющая у-ой тармоннки напряжения на входе

t osi4:r-s l i|f i «sl Wi jl cy J csl,

..(«.(-bifii4 i BjiH-rJf){c.,i

..t.i nЬIгjfl(.(c,i«;.) где uL, (Jly, иду, Upy, Ucy- синусн Ugi, и.у , и , иду, и , косину ортогональные составляющие 7-ой гармони соответственно напряжений нулевой, прямо обратной последовательности и фазных нап ний трехфазной сети. Разделяя выражения (8) на действительн и мнимые части, получим uLj.u.. (,cs . I 5..1 .. +)СЭ лк 2Чву2 су +f( ..-Hv) -f(;,.)-. . . Т()-. ,,« I,.и ..R 1 ,.й ) -U 6 ey/7

(81 8 ключа 3, на втором периоде - косинусная составляющая на входе ключа 4, на третьем периоде - синусная составляющая на входе ключа 5, на четвертом периоде - косинусная составляющая на входе ключа 3. Соответственно на фильтре 14 выделяется напряжение пропорциональное сумме синусной составляющей на входе ключа 3 и косинусной составляющей на входе ключа 4, а на фильтре 13 - сумма синусной составляющей на входе ключа 5 и косинусной составляющей на входе ключа 3. Комплексные значения симметричных составляющих напряжений 7-ой гармоники трехфазной сети равны Сравнивая выражения в скобках в форму х (9) с формулами (1), видим у flj ,- 2У 4y . где U,y, Uzf, Usy, - синусные, Ц,.,, Ujy, Ugv, косинусные ортогональные составляющие 7-ой гармоники напряжения на выходе блока 1. Таким образом, на фильтрах 14 и 13 является синусная и косинусная ортогональные составляющие напряжений нулевой, прямой и обратной последовательности. Так как блок 8 сдвига фазы импульсов реагирует на соотношение между напряжениями Ue и и в соответствии с формулами (5), (6), (7), то фаза выходного импульса блока 8 будет изменяться до тех пор, пока не выполнится условие (7). Учитывая, что U7 Acosi/), DU Asini J, где А - амплитуда, (f - начальная фаза относительно начала периода Т симметричной составляющей 7-ой гармоники напряжения, то при малых, значениях ip, когда выполняется условие (7) UfiftAv, Uj,«A.(П) При этом на вход индикатора 15 поступает напряжение U7 равное амплитуде синусной составляющей 7-ой гармоники нулевой, прямой или обратной последовательности, в зависимости от положения переключателя 2. Погрешность определения амплитуды А по выражению (11) является мультипликативной и зависит от коэффициента умножения частоты п умножителя частоты 7. Погрешность не превосходит 1% при 0,14 рад 8°, и ие превосходит 0,1% при if 0,04 ,5°. Соответствеино необходимо выбрать коэффициент умножения частоты в первом случае п 45, а во втором п 144. Такие погрешности в большинстве случаев являются вполне допустимыми. В предлагаемом устройстве по сравиеиию с прототипом точность повышена в 3-5 раз и расширены функциональные возможности, так как это устройство позволяет измерять все сим метричные составляющие как основной частоты так и высших гармоник напряжений трехфазйойсети. Формула изобретения 1. Устройство для измерения симметричных составляющих напряжений трехфазной сети, содержащее генератор, блок сдвига фазы и инди катор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, в него введены блок суммирования напряжений, переключател блок умножения, дешифратор на восемь входов, счетчик, состоящий из двух последователь но соединенных триггеров, умножитель частоты преобразователь кода в число импульсов, дели тель напряжений, два фильтра низких частот, два элемента И и пять управляемых ключей, причем входные шины через блок сз ммирования напряжений и переключатель подключены к входам первого, второго и третьего ключей управляющие входы которых подключены к выходам дешифратора, а выходы ключей объединены, и подключены к входу блока умноже ния, к двум установочным входам которого подключены выходы элементов И, а к управляющему входу - выход преобразователя ко10да в число импульсов, к управляющему входу которого подключен задагшк номера гармоники, одна из входных ишн через y шoжlггeль частоты подключена к входу преобразователя кода в число импульсов и к первому входу блока сдвига фазы, второй вход которого через первый фильтр низкой частоты и четвертый управляемый ключ, а третий вход через делитель напряжения, второй филътр низкой частоты и пятый управляемый ключ подключены к выходу блока умножения, выход блока сдвига фаз подключен к первым входам элементов И и к входу первого триггера счетчика, выходы первого триггера счетчика подключены к нечетным входам деишфратора и к вторым вх,)дам элементов И, выходы второго триггера подключены к четным входам дешифратора и к управляющим входам четвертого и пятого ключей, а выход второго фильтра низкой частоты подключен к индикатору. 2.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что блок умножения содержит распределительное устройство, ключи, взвещивающие резисторы и операционный усилитель с резистором обратной связи, причем входы распределительного устройства подключены к установочным и управляющему входам блока умножения, а его выходы через ключи и взвешивающие резисторы подключены к входу операционного усилителя выход которого является выходом блока умножения. 3.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что дешифратор выполнен в виде четырех элемеятов И и элемента ИЛИ, причем выходы двух элементов И подключены к выходу дешифратора непосредственно, а выходы двух других элементов через элемент ИЛИ. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 473 26, кл. G 01 R 29/04, 29.06.73. 2.Авторское свидетельство СССР № 375592, кл. G 01 R 29/16, 15.05.70.