устройство для измерения активной и реактивной составляющих тока

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ ТОКА, содержащее первичный преобразователь тока, вход которого соединен с первым входом устройства, интегратор со сбросом, управляющий вход которого соединен с выходом формирователя импульсов сброса, два блока выборки-хранения, выходы которых соединены с соответствующими выходами устройства, последовательно соединенные первичный преобразователь напряжения, пороговый элемент, умножитель частоты на четыре и триггер с установкой по отрицательному фронту, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него дополнительно введены формирователь опорного синусоидального сигнала, формирователь опорного косинусоидального сигнала, два блока перемножения, два усилителя с управляемым коэффициентом передачи, второй интегратор со сбросом и формирователь импульсов записи, вход которого соединен с выходом умножителя частоты на четыре, а выход - с входом формирователя импульсов сброса и управляющими входами первого и второго блоков выборки-хранения, информационные входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго интеграторов со сбросом, управляющие входы которых объединены, а информационные входы соединены с выходами соответственно первого и второго усилителей с управляемым коэффициентом передачи, управляющие входы которых соединены соответственно с прямым и инверсным выходами триггера, а информационные входы соединены с выходами соответственно первого и второго блоков перемножения, первые входы которых объединены и соединены с выходом первичного преобразователя тока, а вторые входы соединены соответственно с выходами формирователя опорного синусоидального сигнала и формирователя опорного косинусоидального сигнала, входы которых объединены и соединены с выходом порогового элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в системах контроля и управления промышленным электрооборудованием, в том числе электроприводами переменного тока, компенсирующими устройствами и др.

Известно устройство для измерения активной и реактивной составляющих тока, содержащее первичные преобразователи тока и напряжения, формирователь опорного сигнала, подключенный к выходу измерительного преобразователя напряжения, первый и второй фиксаторы уровня, инвертор, суммирующий элемент и схему управления. В таком измерительном преобра- зователе сигнал, пропорциональный реактивной составляющей тока, формируется путем фиксации значения тока в момент равенства 0 напряжения сети, а сигнал, пропорциональный активной составляющей - в результате запоминания значения полного тока в момент равенства 0 опорного напряжения, которое имеет фазовый сдвиг относительно напряжения сети на четверть периода.

Время измерения такого устройства составляет половину периода питающей сети (для промышленной сети 10 мс). Недостатки такого устройства - низкая точность при измерении токов, содержащих высшие гармоники (объясняется тем, что при искажениях формы тока его мгновенные значения, измеряемые один раз за половину периода, не позволяют точно определить значения составляющих тока), низкое быстродействие (период измерения равен половине периода питающей электрической сети, т. е. 10 мс) и сложность технической реализации (объясняется тем, что для одновременного измерения активной и реактивной составляющих тока используются два параллельно работающих идентичных канала).

Известны также устройства для измерения активной и реактивной составляющих тока, содержащие первый и второй компенсирующие ключи, последовательно соединенные первый ключ переноса, первый запоминающий блок, согласующий блок, блок управления, связанный с управляющими входами всех ключей, фазосдвигающее устройство, повторитель напряжения, второй запоминающий блок и интегратор, выход которого подключен к компенсиру- ющему ключу и входу повторителя напряжения, выход которого через второй ключ переноса и второй запоминающий блок соединен с первым ключом переноса, причем, фазосдвигающее устройство подключено к входу блока управления, один из выходов которого связан с управляющим входом второго ключа переноса (см. а.с. N 679889, кл. G 01 R 19/22, 1979; Коровин А.И. Быстродействующее устройство для измерения реактивной несинусоидального тока. Электричество, 1985, N 12, с.51-53, рис. 6; а.с. N 1041944, кл. G 01 R 19/96, 1983). В таких измерительных преобразователях сигнал, пропорциональный активной составляющей тока формируется в результате интегрирования тока за половину (или определенную часть) периода питающего напряжения, а сигнал, пропорциональный реактивной составляющей - интегрированием тока за половину (или определенную часть) периода выходного напряжения фазоповоротного блока, которое имеет сдвиг относительно питающего напряжения на четверть периода.

В таком устройстве время измерения равно периоду питающей сети, следовательно, недостаток устройства - невысокое быстродействие. Другим недостатком известного технического решения является сложность, так как для одновременного измерения активной и реактивной составляющих тока используется два параллельно работающих идентичных канала.

Из известных решений наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения активной и реактивной составляющих тока, содержащее первичный преобразователь тока, интегратор со сбросом, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя импульсов сброса, два устройства выборки-хранения, последовательно соединен- ные первичный преобразователь напряжения, пороговый элемент, умножитель частоты, на 4 и триггер с установкой по отрицательному фронту, прямой и обратный выходы которых подключены к управляющим входам соответственно первого и второго устройств выборки-хранения, информационные входы которых объединены и подключены к выходу модулятора, управляющий вход которого подключен к выходу порогового элемента, а информационный вход соединен с выходом интегратора со сбросом, информационный вход которого подключен к выходу первичного преобразователя тока, вход формирователя сброса подключен к выходу импульсов умножителя частоты на 4.

В таком устройстве измерение активной составляющей тока производится дважды за период Т в интервалах от T/8 до 3Т/8 и от 5T/8 до 7T/8. Измерение реактивной составляющей тока также производится интегрированием тока в интервалах от -T/8 до T/8 и от 3T/8 до 5T/8, т.е. дважды за период.

Таким образом, время измерения каждой составляющей равно четверти периода сети, т.е. 5 мс, а период измерения равен половине периода (10 мс), т.к. измерения активной и реактивной составляющих производятся поочередно.

Следовательно, недостаток известного устройства - низкое быстродействие.

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства для измерения активной и реактивной составляющих тока путем уменьшения периода измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения активной и реактивной составляющих тока, содержащее первичный преобразователь тока, интегратор со сбросом, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя импульсов сброса, два устройства выборки-хранения, последовательно соединенные первичный преобразователь напряжения, пороговый элемент, умножитель частоты на 4 и триггер с установкой по отрицательному фронту, дополнительно введены формирователь опорного синусоидального сигнала, два блока перемножения, два усилителя с управляемым коэффициентом передачи, второй интегратор со сбросом и формирователь импульсов записи, включенный между выходом умножителя частоты на 4 и объединенными входом формирователя импульсов сброса и управляющими входами первого и второго устройств выборки-хранения, информационные входы которых подключены соответственно к выходам первого и второго интеграторов, управляющие входы которых объединены, а информационные входы подключены к выходам соответственно первого и второго усилителей с управляемым коэффициентом передачи, управляющие входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам триггера, а информационные входы соединены с выходами соответственно первого и второго блоков перемножения, первые входы которых объединены и подключены к выходу первичного преобразователя тока, а вторые входы соединены соответственно с выходами формирователя опорного синусоидального сигнала и формирователя опорного косинусоидального сигнала, входы которых объединены и подключены к выходу порогового элемента.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет отличительные признаки:

- формирователь опорного синусоидального сигнала;

- формирователь опорного косинусоидального сигнала;

- первый и второй блоки перемножения;

- первый и второй усилители с управляемым коэффициентом передачи;

- второй интегратор со сбросом;

- формирователь импульсов записи.

Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации изобретения повышается быстродействие устройства (период измерения равен четверти периода измеряемого тока, для промышленных сетей - 5 мс).

Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому существенному отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области измерительной техники и электротехники.

Известны формирователи опорных синусоидального и косинуидального сигнала в устройстве для измерения активной и реактивной составляющих тока (а.с. СССР N 1485141, кл. G 01 R 19/06, 1989). В известном и предлагаемом технических решениях указанные элементы выполняют ана- логичные функции - формирование опорных гармонических сигналов.

Известны два блока перемножения в устройстве для измерения активной и реактивной составляющих тока (а.с. СССР N 1485141, кл. G 01 F 19/06, 1989). В известном и предлагаемом технических решениях блоки перемножения выполняют аналогичные функции - умножение сигнала, пропорционального току, на опорные синусоидальный и косинусоидальный сигналы.

Известны интеграторы со сбросом в устройствах для измерения активной и реактивной составляющих тока (а.с. СССР N 679889, кл. G 01 R 19/06, 1979; а.с. СССР N 1041944, кл. G 01 R 19/06, 1983). В известном устройстве интеграторы со сбросом выполняют интегрирование сигнала, пропорционального току. В предлагаемом техническом решении интеграторы со сбросом выполняют интегрирование сигналов, пропорциональных произведениям тока на опорные синусоидальный и косинусоидальный сигналы.

Известны формирователи импульсов сброса в устройствах для измерения активной и реактивной составляющих тока (а. с. СССР N 679889, кл. G 01 R 19/06, 1979; а. с. СССР N 1041944, кл. R 01 R 19/06, 1983). В известном и предлагаемом технических решениях формирователи импульсов сброса выполняют аналогичные функции - формирование коротких импульсов сброса для интеграторов.

Усилители с управляемым коэффициентом передачи в известных устройствах аналогичного назначения не обнаружены.

Следовательно, указанные признаки обеспечивают предлагаемому техническому решению соответствие требованию "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для измерения активной и реактивной составляющих тока, где обозначено: 1 - первичный преобразователь тока; 2 - первичный преобразователь напряжения; 3 - пороговый элемент; 4, 6 - первый и второй блоки перемножения; 5 - формирователь опорного синусоидального сигнала; 7 - формирователь опорного косинусоидального сигнала; 8 - умножитель частоты на 4; 9, 10 - первый и второй усилители с управляемым коэффициентом передачи; 11 - триггер с установкой по отрицательному фронту; 12, 13 - первый и второй интеграторы со сбросом; 14 - формирователь импульсов записи; 15, 16 - первый и второй блоки выборки-хранения; 17 - формирователь импульсов сброса.

В предлагаемом устройстве первичный преобразователь тока 1 подключен к объединенным входам первого и второго блоков перемножения 4 и 6, к другим входам этих устройств подключены соответственно формирователь опорного синусоидального сигнала 5 и формирователь опорного косинусоидального сигнала 7, к объединенным входам которых подключены выход первичного преобразователя напряжения 2 через пороговый элемент 3 и вход умножителя частоты на четыре 8, к выходу которого подключены входы формирователя импульсов записи 14 и триггера с установкой по отрицательному фронту 11, прямой и инверсный выходы которого подключены к управляющим входам соответственно первого и второго усилителей с управляемым коэффициентом передачи 9 и 10, информационные входы этих устройств подключены к выходам соответственно первого и второго блоков перемножения 4 и 6, а выходы - к информационным входам соответственно первого и второго интеграторов со сбросом 12 и 13, управляющие входы которых объединены и подключены к выходу формирователя импульсов сброса 17, вход которого объединен с управляющими входами первого и второго устройств выборки-хранения 15 и 16 и подключены к выходу формирователя импульсов записи 14, информационные входы первого и второго устройств выборки-хранения 15 и 16 подключены соответственно к выходам первого и второго интеграторов со сбросом 12 и 13, а их выходы служат выходами устройства.

Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип действия устройства для измерения активной и реактивной составляю- щих тока, приведены на фиг.2, где i - входной тока, U - напряжение сети, а выходные сигналы элементов устройства обозначены символом U с индексом, соответствующим номеру элемента на функциональной схеме (фиг.1).

Устройство работает следующим образом. Напряжение питающей сети

U = U_м sin t, где U_м - амплитуда, - частота, поступает на вход первичного преобразователя напряжения 2, а с его выхода подается на вход порогового элемента 3. Выходной сигнал порогового элемента 3 имеет вид последовательности прямоугольных импульсов

U₃= где U_e = const - напряжение, соответствующие уровню логической единицы.

Сигнал U₃ с выхода порогового элемента 3 поступает на объединенные входы формирователя 5 опорного синусоидального сигнала и формирователя 7 опорного косинусоидального сигнала. На выходах этих формирователей 5 и 7 действуют сигналы соответственно:

U₅ = U_e Sin t

U₇ = U_e Cos t Напряжение U₅ и U₇ с выходов формирователей опорных синусоидального 5 и косинусоидального 7 сигналов поступают на вторые входы соответственно первого и второго блоков перемножения 4 и 6.

Импульсы с выхода порогового элемента 3 поступают на вход умножителя 8 частоты на 4, на выходе которого формируется последовательность прямоугольных импульсов

U₈=

m = 0, 1, 2,...

Импульсы U₈ поступают на вход триггера 11 с установкой по отрицательному фронту. В результате на прямом выходе триггера 11 формируется последовательность прямоугольных импульсов

U₁₁=

m = 0, 1, 2,...

Сигналы U₁₁ и с прямого и инверсного выходов триггера 11 поступают на управляющие входы соответственно первого 9 и второго 10 усилителей с управляемым коэффициентом передачи. При U₁₁ = 0, и следовательно, = U_е коэффициенты передачи первого 9 и второго 10 усилителей равным соответственно

K₉= ; K₁₀= , и при U₁₁ = U_e и = 0 они равны соответственно

K₉= ; K₁₀= или

K₉=

m = 0, 1, 2,...

K₁₀=

m = 0, 1, 2,...

Импульсы с выхода умножителя 8 частоты на 4 поступают на вход формирователя 14 импульсов записи, который формирует короткие импульсы в моменты времени, соответствующие отрицательным фронтам импульсов U₈, т.е. в моменты времени

t_m=(2m+1), m = 0, 1, 2,... (1)

Сигнал U₁₄ с выхода формирователя 14 импульсов записи поступает на объединенные управляющие входы первого 15 и второго 16 устройств выборки-хранения, а также на вход формирователя 17 импульсов сброса, который формирует короткие импульсы U₁₁ в моменты времени

t= (2m+1) + , m = 0, 1, 2,... где - малый интервал времени, необходимый для разделения во времени процессов записи информации в устрой- ствах 15 и 16 выборки-хранения и сброса первого 12 и второго 13 интеграторов, << Т.

Импульсы с выхода формирователя 17 импульсов сброса поступают на объединенные установочные входы первого 12 и второго 13 интеграторов со сбросом и возвращают их в начальное состояние (U₁₂ = U₁₃) в моменты времени

t= (2m+1) + . Так как << Т, то в дальнейших расчетах можно принимать t = t, т.е. 0.

Измеряемый ток

i = I_м sin ( t + ), где I_м - амплитуда; = 2 /Т - частота; - фазовый сдвиг; Т - период, преобразуется с помощью первичного преобразователя 1 тока в напряжение

U₁ = K₁i, где К₁ - коэффициент передачи первичного преобразователя 1 тока.

Напряжение U₁ поступает на объединенные первые входы первого 4 и второго 6 блоков перемножения, на вторых входах которых действуют сигналы соответственно U₅ = U_e sin t и U₇ = U_e cos t. В результате на выходах первого 4 и второго 6 блоков перемножения формируются напряжения соответственно

U₄ = U₁ U₅ = K₁ U_e I_м sin t sin ( t + );

U₆ = U₁ U₇ = K₁ U_e I_м cos t sin ( t + ).

Сигналы U₄ и U₆ с выходов первого 4 и второго 6 блоков перемножения поступают на входы соответственно первого 9 и второго 10 усилителей с управляемыми коэффициентами передачи. В результате на выходах первого 9 и второго 10 усилителей формируются напряжения соответственно

U₉=K₉U₄=

(2)

U₁₀=K₁₀U₆=

(3)

Сигналы U₉ и U₁₀ с выходов первого 9 и второго 10 усилителей с управляемыми коэффициентами передачи поступают на входы соответственно первого 12 и второго 13 интеграторов со сбросом. Так как первый 9 и второй 10 интеграторы со сбросом в моменты времени t_m, определяемые выражением (1), устанавливаются в состояние U₁₂ = U₁₃ = 0, то напряжения на их выходах в момент времени t равны соответственно

U₁₂=K₁₂ U₉dt;

(4)

U₁₃=K₁₃ U₁₀dt ,

(5) где К₁₂ и К₁₃ - коэффициенты передачи первого 12 и второго 13 интеграторов со сбросом.

В момент времени t_m, n = 0, 1, 2,... напряжения на выходах первого 12 и второго 13 интеграторов (4) и (5) с учетом (2) и (3) равным соответственно:

U₁₂=K₁₂ U₉dt= I_мcos ;

(6)

U₁₃=K₁₃ U₁₀dt= I_мsin.

(7)

Таким образом, как следует из уравнений (6) и (7) в моменты времени t_m (1), т. е. при t = T/8; t = 3T/8; t = 5T/8, t = 7T/8 и т.д. на выходах первого 12 и второго 13 интеграторов со сбросом формируются сигналы, пропорциональные активной и реактивной составляющим переменного тока.

В моменты времени t_m (1) на управляющих входах первого 15 и второго 16 устройств выборки-хранения действуют импульсы U₁₄ с выхода формирователя 14 импульсов записи. При этом происходит запись выходных напряжений первого 12 и второго 13 интеграторов соответственно в первое 15 и второе 16 устройства выборки-хранения. Затем выходным импульсом U₁₁формирователя 17 импульсов сброса происходит установка интеграторов в исходное состояние U₉ = U₁₀ = 0. Далее процесс периодически повторяется. Сигналы, записанные в моменты времени t_m в первом 15 и втором 16 устройствах выборки-хранения действуют в течение четверти периода (T/4), а затем происходит запись новых значений активного I_а и реактивного I_ртоков.

Таким образом измерение активной и реактивной составляющих тока осуществляется четыре раза за период, т.е. с интервалом времени T/4 (для промышленных сетей частотой 50 Гц этот интервал равен 5 мс). Следовательно, предложенное техническое решение отличается от известных повышенным быстродействием.

Использование в устройстве для измерения активной и реактивной составляющих тока дополнительно формирователя опорного синусоидального сигнала, формирователя опорного косинусоидального сигнала, двух блоков перемножения, двух усилителей с управляемыми коэффициентами передачи, второго интегратора со сбросом и формирователя импульсов записи позволяет повысить быстродействие устройства за счет уменьшения периода измерения.

Использование предлагаемого устройства для измерения активной и реактивной составляющих тока в электротехнических устройствах и энергетических системах позволяет повысить точность и быстродействие систем регулирования режимов работы электрооборудования.