способ измерения активной и реактивной составляющих мощности в цепях переменного тока с установившимся синусоидальным режимом
Классы МПК: | G01R21/06 путем измерения тока и напряжения |
Автор(ы): | Мелентьев В.С., Шутов В.С., Баскаков В.С. |
Патентообладатель(и): | Самарский государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
1990-12-29 публикация патента:
09.07.1995 |
Изобретение относится к электроизмерительной технике. Способ включает измерения мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи, выполняемые с временным интервалом, соответствующим фиксированному углу фазового сдвига, вычисление составляющих мощности по результатам измерений, при этом выполняют два измерения мгновенных значений тока и напряжения с временным интервалом, соответствующим углу фазового сдвига 90°, в каждом из измерений значения тока и напряжения измеряют одновременно, а составляющие мощности вычисляют по выражениям, приведенным в тексте описания. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ МОЩНОСТИ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С УСТАНОВИВШИМСЯ СИНУСОИДАЛЬНЫМ РЕЖИМОМ, включающий измерения мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи, выполняемые с временным интервалом, соответствующими фиксированному углу фазового сдвига, вычисление составляющих мощности по результатам измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, выполняют два измерения мгновенных значений тока и напряжения с временным интервалом, соответствующим углу фазового сдвига 90o, в первом и втором измерениях значения тока и напряжения измеряют одновременно, а составляющие мощности вычисляют по выражениямгде P и Q соответственно активная и реактивная составляющие мощности;
I1 и I2 мгновенные значения тока соответственно в первом и втором измерениях;
U1 и U2 мгновенные значения напряжения соответственно в первом и втором измерениях.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения активной и реактивной составляющих мощности в цепях переменного тока с установившимся синусоидальным режимом. Известен способ определения активной и реактивной мощности (1), заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения, формируют сигналы, ортогональные измеренным, нормируют их, перемножают напряжение с ортогональной копией тока, ток с ортогональной копией напряжения, ток с напряжением, и их ортогональные копии, которые затем суммируют и вычитают с последующим усреднением за период основной частоты, а затем вычисляют составляющие мощности. Однако данный способ обладает низким быстродействием, обусловленным тем, что время измерения составляет не менее периода входного сигнала. Известен способ измерения активной и реактивной мощности (2), заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения, их перемножают и усредняют результаты перемножения за период, перемноженные сигналы разделяют по знаку и усредняют отдельно, а затем вычисляют составляющие мощности. Однако данный способ обладает низкой точностью, обусловленной необходимостью выполнения операции перемножения в аналоговой форме, и низким быстродействием, обусловленным тем, что время измерения составляет не менее периода входного сигнала. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения активной и реактивной мощности (3), заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения в n-точках периода, причем мгновенные значения тока и напряжения измеряют со сдвигом по фазе на углы 1 и 2, затем эти значения перемножают для каждого из углов 1 и 2, суммируют и по полученным числовым эквивалента вычисляют составляющие мощности. Недостатком данного способа является низкое быстродействие, обусловленное тем, что наименьшее время измерения составляет не менее 2/3 периода входного сигнала. Цель изобретения повышение быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения активной и реактивной составляющих мощности в цепях переменного тока с установившимся синусоидальным режимом, включающему измерения мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи, выполняемые с временным интервалом, соответствующим фиксированному углу фазового сдвига, вычисление составляющих мощности по результатам измерений, выполняют два измерения мгновенных значений тока и напряжения с временным интервалом, соответствующим углу фазового сдвига 90о, в первом и втором измерениях значения тока и напряжения измеряют одновременно, а составляющие мощности вычисляют по выражениямp ;
Q , где P, Q соответственно активная и реактивная составляющие мощности;
I1, I2 мгновенные значения тока соответственно в первом и втором измерениях;
U1, U2 мгновенные значения напряжения соответственно в первом и втором измерениях. На фиг. 1 представлены временные диаграммы, поясняющие способ; на фиг. 2 схема устройства, реализующего данный способ. Сущность способа состоит в определении активной и реактивной составляющих мощности по двум мгновенным значениям тока и напряжения, первые из которых одновременно измеряют в произвольный момент времени, а вторые через временной интервал, соответствующий углу фазового сдвига 90о, согласно следующим формулам
P ; (1)
P , (2) где I1, I2 мгновенные значения тока соответственно в первом и втором измерениях;
U1, U2 мгновенные значения напряжения соответственно в первом и втором измерениях. Если сигналы напряжения и тока в исследуемой цепи содержат только первые гармоники, то
U1 Um sin 1; U2 Um sin (1 + 90o);
I1 Im sin 2; I2 Im sin (2 + 90o), где 1,2 начальные фазы сигналов напряжения и тока. При измерении активной составляющей мощности выражение (1) принимает вид
P sin1sin2+ sin(1+ 90)sin(2+ 90). Учитывая, что sin (1 + 90o)=cos 1; sin (2 + 90o) cos 2, получим
P (sin1sin2+ cos1cos2). Так как, sin 1 sin 2 + cos 1 cos 2 cos (1-2)=cos где угол сдвига фаз между напряжением и током, то
P cos. Отсюда следует, что выражение (1) соответствует значению активной составляющей мощности. При измерении реактивной составляющей мощности выражение (2) принимает вид
Q sin1sin(2+ 90)- sin(1+ 90)sin2=
(sin1cos2- cos1sin2). Так как sin 1 cos 2 cos 1 sin 2 sin (1-2)=sin, то Q sin. Отсюда следует, что выражение (2) соответствует значению реактивной составляющей мощности. Устройство, реализующее данный способ, содержит первичные преобразователи 1, 2 напряжения и тока, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 3 и 4, мультиплексор 5, вычислительный блок 6, блок 7 управления, генератор 8 опорной частоты, ключ 9, реверсивный счетчик 10, причем шина напряжения U(t) соединена с входом первичного преобразователя 1 напряжения, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 3, выходы разрядов которого соединены с первой группой входов мультиплексора 5, вторая группа входов которого соединена с выходами разрядов аналого-цифрового преобразователя 4, а выходы соединены с информационными входами вычислительного блока 6, управляющий вход которого соединен в первым выходом блока 7 управления, второй выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора 5, а третий выход с запускающими входами аналого-цифровых преобразователей 3 и 4, выход генератора 8 опорной частоты соединен с первым входом блока 7 управления и входом ключа 9, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока 7 управления, а выход синхровходом обратного счета счетчика 10, выход заема которого соединен с вторым входом блока 7 управления, третий вход которого соединен с входом предварительной установки реверсивного счетчика 10, входом начальной установки вычислительного блока 6 и шиной "Пуск" устройства, шина тока i(t) соединена с входом первичного преобразователя тока 2, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 4. Первичные преобразователи напряжения 1 и тока 2 осуществляют гальваническую развязку и согласование уровней сигналов исследуемых цепей и измерительной части устройства. Устройство работает следующим образом. После подачи импульса на шину "Пуск" устройства в реверсивный счетчик 10 с информационных входов записывается код Nt fo t, где fo частота импульсов на выходе генератора 8 опорной частоты, t T/4 период входного сигнала, угловая частота. Одновременно вычислительный блок 6 переходит к началу выполнения программы, мультиплексор 5 подключает выходы АЦП 3 к информационным входам вычислительного блока 6. По команде с блока 7 управления в момент времени t1 запускаются АЦП 3 и АЦП 4. Величина напряжения на входе АЦП3 в это время пропорциональна U1= Um sin 1, а величина напряжения на входе АЦП 4 пропорциональна току I1=Imsin 2. Одновременно замыкается ключ 9 и импульсы с генератора 8 опорной частоты начинают поступать на вход обратного счета реверсивного счетчика 10. Блок 7 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 6. Код N1v, пропорциональный напряжению U1, записывается в вычислительный блок 6. После этого по команде с блока 7 управления мультиплексор 5 подключает выходы АЦП 4 к информационным входам вычислительного блока 6. Блок 7 формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 6. Код N1i, пропорциональный току I1, записывается в вычислительный блок 6. По команде с блока 7 управления мультиплексор 5 подключает выходы АЦП3 к информационным входам вычислительного блока 6. В момент времени t2, когда реверсивный счетчик 10 обнулится, на выходе заема счетчика 10 появится импульс, который поступает в блок 7 управления. По команде с блока 7 управления запускаются АЦП3 и АЦП4. Величина напряжения на входе АЦП3 в это время пропорциональна U2 Umsin(1+ t), а величина напряжения на входе АЦП4 пропорциональна I2= Imsin (2+ t). Так как t=/2 то U2 Umsin (1 + 90o), а I2= Im sin (2+ 90o). На выходе блока 7 управления формируется импульс запpоса на ввод и код N2u с выходов АЦП3, пропорциональный напряжению U2, записывается в вычислительный блок 6
После этого по команде с блока 7 управления мультиплексор 5 подключает выходы АЦП4 к информационным входам вычислительного блока 6. Блок 7 управления формирует сигнал запроса на ввод и код N21 и с выходов АЦП4,пропорциональный току I2, записывается в вычислительный блок 6. В вычислительном блоке 6 выполняются вычисления согласно выражениям
Np= NQ=
Выходные коды Np и NQ пропорциональны соответственно активной и реактивной составляющим мощности. В качестве АЦП3 и АЦП4 могут быть использованы аналого-цифровые преобразователи параллельного типа с выходными регистрами памяти. В качестве вычислительного блока 6 может быть использована микро-ЭВМ или специальное программно-управляемое вычислительное устройство. Данный способ обеспечивает более высокое быстродействие, так как время измерения составляет 1/4 периода входного сигнала.
Класс G01R21/06 путем измерения тока и напряжения