Устройство для измерения параметров трехфазной сети
Изобретение относится к измерительной технике и может быть исА 0ч пользовано для измерения действующих значений и начальных углов сдвига фаз фазных (линейных) напряжений или токов -и их симметричных составляющих. Цель изобретения - повьшение точности и расширение функциональных возможностей устройства. Для достижения поставленной цели в устройство введены источник 19 опорных напряжений , переключатель 11, цифроаналоговые преобразователи 13, 14, 15,- сумматоры 7, 8, аналого-цифровые преобразователи 16, 17, дешифратор 25 адреса, управляемый фазовращатель 20. Устройство также содержит масштабные преобразователи 1, 2, 3, СЛ фиг./
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (51) 4 С 01 К 29/16
В:- ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1> РНИКА"..: ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3926991/24 — 21 (22) 1 1,07, 85 (46) 30.04. 87. Бюл. 11 - 16 (71) Институт электродинамики АН УССР (72) О.Л. Карасинский, Н.А. Руденко и С.Г.Таранов (53) 621.317.757(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР Ф 1064233, кл. С 01 R 29/16, 1982. Авторское свидетельство СССР Р 1145305, кл. G 01 К 29/16, 1983, о (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения действующих значений и начальных углов сдвига фаз фазных (линейных) напряжений или токов и их симметричных составляющих. Цель изобретения — повышение точности и расширение функциональных возможностей устройства. Для достижения поставленной цели в устройство введены источник 19 опорных напряжений, переключатель 11, цифроаналоговые преобразователи 13, 14, 15,. сумматоры 7, 8, аналого-цифровые преобразователи 16, 17, дешифратор 25 адреса, управляемый фазовращатель 20. Устройство также содержит масштабные преобразователи 1, 2, 3, 1307396 35 сумматоры 4, 5, 6, масштабно-суммирующий блок 9, переключатель 10, цифроаналоговый преобразователь 12, трехфазный источник 18 опорных напряжений, блок 21 синхронизации, пульт 22 управления, постоянный запоминающий блок 23, вычислительный блок 24, регистр 26, блок 27 индикации. В состав управляемого фазовращателя 20 входят фазовращатель 36 0 на 90, цифроаналоговый преобразо ватель 37 и сумматор 38. В состав источников 18, 19 опорных напряже1 Изобретение относится к измери— тельной технике и может быть использовано для измерения действующих зна- чений и начальных углов сдвига фаз фазных (линейных) напряжений или токов и их симметричных составляющих. В частности изобретение может быть использовано для измерения показателей качества электрической энергии (отклонение напряжения коэффициентов несимметрии и неуравновешенности напряжений трехфазной сети). Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей устройства путем измерения углов сдвига фаз высших гармоник относительно нуль-переходов первой гармоники. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 — векторная диаграмма, поясняющая принцип работы устройства. Устройство содержит масштабные преобразователи 1-3 аналоговые сум1 .маторы 4-8 и масштабно-суммирующий блок 9, которые в целом образуют масштабно-суммирующий преобразователь, переключатели 10, !1, цифроаналоговые преобразователи 12-15, аналогоцифровые преобразователи 16, 17, трехфазные источники 18, 19 опорных напряжений, управляемый фазовращатель 20, блок 21 синхронизации, пульт 22 управления, постоянный запоминающий блок 23, вычислительный блок 24, дешифратор 25 адреса, регистр 26 и блок 27 индикации. ний входят цифроаналоговые преобразователи 28-35. Блок 21 синхронизации содержит умножитель 39 частоты, счетчик 40, шинный формирователь 41 и элемент 42 задержки. Вычислительный блок 24 содержит микропроцессор 43, запоминающий блок 44, блок 45 местноro управления, запоминающий блок 46 микрокоманд, генератор 47 импульсов, триггер 48, элемент И 49. Также в состав устройства входят шина 50 данных, шина 51 констант, шина 52 адреса и шина 53управления.2ил. В состав источников 18, 19 опорных напряжений входят цифро-аналоговые преобразователи 28 — 35. В состав управляемого фазовращателя 20 вхо5 дят фазовращатель 36 на 90, цифроаналоговый преобразователь 37 и аналоговый сумматор 38. В состав блока 21 синхронизации входят умножитель 39 частоты, счетчик 40, шинный фор1О мирователь 41 и элемент 42 задержки. Вычислительный блок 24 содержит микропроцессор 43, запоминающий блок 44, блок 45 местного управления, постоянный запоминающий блок 46 микрокоманд, генератор 47 импульсов, триггер 48, элемент И 49. Обмен информацией между блоками устройства осуществляется по шине 50 данных, шине 51 констант, шине 52 адреса и шине 53 управления. Входные шины фаз А, В, С через масштабные преобразователи 1-3 подключены к первым входам сумматоров 4-6 соответственно. Вторые входы сумматоров 4-6 подключены к выходам источника 18 опорных напряжений, а именно к выходам цифроаналоговых преобразователей 28-30, третьи входы сумматоров 4-6 подключены к выходам источника 18 опорных напряжений, а именно к выходам цифроаналоговых преобразователей 32-34, Выходы сумматоров 4-6 соединены с соответствующими контактами переключателей 10 11, а также с входами масштабно-суммирующего блока 9, выходы которого 1:10 также соеди11еlIы с контактами nE.pIIKJ II<) чателей 10, 1 1 . 15 Положения переключателей 10, 11 (начиная сверху по чертежу) соответствуют режимам измерения гармоник 5 фаз А, В, С и гармоник прямой, обратной и нулевой последовательностей, а положения переключателя 11 соответствуют выбору опорного вектора первой гармоники фаз А, В, С или прямой последовательности. Выходы переключателя 10 через цифроаналоговые преобразователи 12, 13 и сумматор 8 связаны с входом аналого-цифрового преобразователя 16, а выходы переключателя 11 через цифроаналоговые преобразователи 14, 15 и сумматор 7 связаны с входом аналого-цифрового преобразователя 17. Выход масштабного преобразователя 1 через последовательно соединенные фазовращатель 36, цифроаналоговый преобразователь 37 и сумматор 38, второй вход которого объединен с входом фазовращателя 36, связан с входом умножителя 39 частоты, выход которого соединен со счетным входом счетчика 40 и входами запуска аналого-цифровых преобразователей 16, 17, а через элемент 42 умно30 житель 39 частоты соединен с входом запуска вычислительного блока 24, а именно с входом установки в "1" триггера 48, Умножитель 39 частоты включает цепь фазовой подстройки частоты, поэтому его второй вход соединен с выходом старшего разряда счетчика 40, выходы которого подключены к шинному формирователю. Выходы аналого -цифровых преобразователей 16, 17, выходы шинного формирователя 41, первые информационные входы источников 18, 19 опорных напряжений, информационные входы пульта 22 управления, информационные входы и выходы вычислительного блока 24, адресные шины постоянного запоминающего блока 23, информациoHHble axoJJbI управляемого Фазовращателя 20, входы регистра 26 объединены между собой и образуют шину 50 данных. Выходы постоянного запоминающего блока 23 образуют шину 51 констант и подключены к информационным входам цифроаналоговых преобразователей 12-15 и к вторым информационным входам источников 18, 19 опорных напряжений. Шина 52 адреса вычислиГеле Ilо l о 011ок I ч lеpt. 3 jll 1И11(1110 л l op 25 связана с. шиной 53 У11ранлеши, которая подключена к входам синхро11изации занесения информации цифроаналоговых преобразователей 12-15, 2835, 37 и регистра 26 и к входам onроса аналого-цифровых преобразователей 16, 17, пульта 22 управления и блока 21 синхронизации (вход управления шинным формирователем 41) . Выходы регистра 26 соединены с блоком 27 индикации. В вычислительном блоке ?4 выходы блока 45 местного управления подключены к адресным шинам постоянного запоминающего блока 46, выходы которого в виде шин связаны с входами управления микропроцессора 43, блока 45 местного управления, образуют шину 52 адреса, которая подключена к адресным шинам запоминающего блока 44 и дешифратора 25. Отдельный выход блока 46 соединен с входом установ11 1( ки 0 триггера 48. Установка сигнала переноса на входе младшего разряда микропроцессора 43 и выдача сигнала переноса старшего разряда из микропроцессора 43 в блок 45 местного управления осуществляется по шинам, связывающим эти блоки. Выход генератора 47 через элемент И 49, другой вход которого подключен к выходу триггера 48, соединен с входами синхронизации микропроцессора 43 и блока 45 местного управления. В источниках 18, 19 опорных напряжений, которые имеют одинаковую структурную схему, выход цифроаналогового преобразователя 31 1,351 подключен к аналоговым входам цифроаналоговых преобразователей 28-30 (3234), а на аналоговый вход цифроаналогового преобразователя 31 (35) подается опорное напряжение Бд„. Устройство работает следующим образом. При помощи источника 18 задают систему опорных напряжений с управляемой амплитудой А„ и начальной фазой су„ (начальная фаза для симметричной системы напряжений определяется по напряжению фазы А), частота которого соответствует частоте измеряемой К-й гармоники, номер которой задается пульту 22 управления. Эта система напряжений образует S-ю последовательность, номер которой задается пульту 22 управления (S 1 1307396 принимает значения О, 1, 2 для напряжений нулевой, прямой и обратной последовательностей соответственно). При помощи источника 19 задается система опорных напряжений прямой последовательности основной частоты, Входной сигнал Б поступает на вход управляемого фазовращателя 20 ° В фазовращателе 36 он сдвигается на о 90 и поступает на аналоговый вход 10 цифроаналогового преобразователя 37, в который из блока 24 заносится коц ь, . Напряжение U> и выходное напряжение цифроаналогового преоб-разователя 37, равное jU hg,сумми- 15 руется в сумматоре 38. Изменяя код Щ,, можно регулировать фазу выходного напряжения управляемого фазовращателя 20 (U +jU 6q,), которая равна аргументу комплексного числа (1+ +jap,). Приведенная схема управляемого фазовращателя 20 позволяет сдвигать фазу напряжения на входе блока 21 синхронизации в диапазоне от -45 до +45 . Выходной сигнал уп- 25 равляемого фазовращателя 20 в момент перехода через нулевой уровень запускает умножитель 39 частоты. Умножитель 39 частоты генерирует импульсы, период следования которых равен Т/N, где Т вЂ” период входных напряжений; N — коэффициент умножения частоты. Выходные импульсы умножителя 39 поступают на входы запуска аналого-цифровых преобразователей 35 16, 17, на счетный вход счетчика 40, емкость которого равна N, и на вход элемента 42 задержки, который через интервал времени, несколько превышающий время преобразования аналого-цифровых преобразователей 16, 17, формирует сигнал, запускающий блок 24. Выходной код Q счетчика 40 через шинный формирователь 41 и шину 50 данных (при условии опроса формирователя 41) может быть занесен в вычислительный блок 24, где код 0 используется для управления ветвлением программы. 27 . 21 N. 3О U< =А sin -- n; U =А sin --(и- -) ° -- (и+ -) э N 3 2 !! — (пК+qÄ) U =А sin ш < Бд„=А„в in 21 S ° N U =А sin — (пК+и + — -) 4О где А,, А — амплитуды опорных напряжений первой и К-й гармоник, коды которых занесены в цифроаналоговые 45 преобразователи 35, 3) соответственно; Ц к — начальная фаза опорного напряжения U К-й гарик моники, СоответстВенно, B цифроаналоговые преобразователи 32-34, 28-30 заносятся коды синусов., определяемь|е выражениями (1). Для этого в блоке 24 определяются коды текущих фаз(p; котоРые поступают на адресные шины блока 23, а с его выхода снимаются 21 коды э п -- Q,, которые по сигналам Как уже указывалось, умножитель 39 включает цепь фазовой подстройки частоты. Для этого выход старшего Разряда счетчика 40 соединен с втоI рым входом умножителя 39. В этом случае выходные сигналы счетчика 40 :.<естко связаны по фазе с входным сигналом блока 21 синхронизации, а ч< позволяет избежать фазовый набег при любом изменении частоты входного сигнала блока 21. Входные. фазные. напряжения U>, П, U суммируются в сумматорах 4-6 с выходными напряжениями источников 18, 19 опорных напряжений U„, У й1 Ь1 и Ц 118 U приче выход пряжения источников 18, 19 формируются таким образом, чтобы они были в противофазе с напряжениями соответствующих гармоник фазных напряжений. Напряжения U, U,, Ц, образуют прямую последовательность напряжений основной частоты, а напряжения U Д\ U „, П ц образуют S-ю последовательность напряжений К-х гармоник. Номер измеряемой последовательности S u номер гармоники К задаются на пульте 22 управления. Коды S и К через шину 50 данных могут быть занесены в блок 24 при опросе пульта 22 управления. Выходные напряжения источников 18, 19 представляют собой "ступенчатые" синусоиды, мгновенные значения которых в интервале времени, когда происходит и --й запуск аналого-цифровых преобразователей 16, 17, n=0,1, N-1,,определяются выражениями: 27 S ° N U =А sin --(пК+й — - --) ° вк к 1 1 к 1 на входах. синхронизации занесения 1 307396 1О 15 (3) N 4 и чет21(sTn 2 и п, N Uz„sin — (Kn+cg )-U>Ä cos --(Kn cq,), n=0,2, е ..,N-2 (2и 2ч„ U Ä cos --(Kn+cp„)+U sin = (Kn+cp ), n=1,3,...,N l 2я . « 2 U sin — n-U cos — п n=0,2,...,N-2 & N 6(2((и . 2» U cos -- n+U sin -- п n=1,3,...,N-1 5i N 5k аналого-цифровых Величины (5) испольэу ) «м (41 информации заносятся в регистры соответствующих цифроаналоговых преобразователей. Выходные напряжения сумматоров 4-6, равные hL„=U„-U»-Uö„ I?,Us=П„-У -П с с с гк поступают на входы маснтабно-суммирующего блока 9, который суммирует их с определенными весовыми коэффициентами. Выходные напряжения блока 9 равны: 1 1 1 U = — д11 - - д11 — — д11 3 4 6 6 6 13 -ГЗ ГЗ -ГЗ U = -=!AU — --д(U .= -=— -- дБ+ — д U ° I3 6 (1 1 1 U = — gU+- IIU+ — dU, 4 3 4 3 3 При помощи переключателей !О, 11 выбирается режим работы устройства. На входы цифроаналоговых преобразователей 14, 15 подаются парь напряжений (U, Us ), равные (д114, 0 ), э» у э1 Ф 4 25 (дц, О), (д1?, 0), (U„, U ) при выборе в качестве опорного вектора напряжений первой гармоники фаз А, В, С или напряжения прямой последовательности основной:.частоты соответственно. На входы ци(*?роаналоговых преобразователей 12, 13 подаются паT pII нап1?яжеНИЙ (Us!(Usl(), 1?авНые (д П„О), (д11„0), (д11,, О), (U„, U ), (U U ), (U4, О) при измереВыходные коды преобразователей 17, 16 через нину 50. данных поступают в микропроцессор 43, где они суммируются соответству- 45 ющим образом с содержимым ячеек дЪ,, да,, дЪ„, да„, которые выводятся в микропроцессор 43 из блока 44. В этих ячейках хранятся частичные суммы, необходимые для определения синус50 ных и косинусных составляющих нескомпенсированных напряжений опорного вектора измеряемой гармоники. В конце периода входных напряжений величины ЬЬ,, а,, дb да„ равны: 55 и-(?д„,и г " "=Iç„..>è-? " (5 дЪ„= " Х„„;да„= 2: Х„„. нии I ;?pl«?HT!ê FTTT j!-?H?:е1!111" (1 (1". А . В r. ИЛИ Гi!P" I(?II?IF Н T;TP?!?T((TI <1! Ц :? ЯМ< ?11 o6pñT тн(1(или нуле Во li по(1! I(?TATI атель ноcTeй. HQTTpяжения !?аВные н1JIN? на Вы ходах цифроаналоговых преобразователей 13, 15 задаются путем подключения входов этих блоков через переключатели 10, 11 соответственнс: к общему проводу. В интервале времени, когда происходит TI-é запуск аналого-цифровог( преобразователя 16, 17 В цифроаналоговые преобразователи 12-15 соответственно заносятся коды 2((21(s in (Kn+ (.р„) s in (Kn+ ip„ sin -- n; sin — (г.— -); если но, и коды s!.n,,(к +4? + ), N 211 N 1((Kn+ с1? ); sin — (n+ — ); sin N 4 если и нечетно. Таким образом, напряжения Б,, и Б, Бэ„, Бз?(умножаются на указанные величины тригонометрических функций. Выходные напряжения цифроаналоговых преобразователей 12, 13 и 14, 15 попарно суммируются в сумматорах 7, 8 и преобразуются в аналого-цифровых преобразователях 16, 17 в коды, которые вследствие выне сказанного после II -го запуска аналого-цифрового преобразования равны: ются для определения новых значений амплитуд опорных напряжений А 1, А„, начальной фазы Ч „ и угла сдвига фазы д(3(, вносимого управляемым фазовращателем 20. Поясним, как определяются эти величины на примере векторной диаграммы (фиг. 2) ° Пусть после некоторого i-го цикла работы устройства вектор напряжения первой гармоники UI, (безразлично фаэного напряжения или напряжения прямой последовательности) сдвинут на угол b(pI, относительно вектора опорного напряжения А .Источника 19 опор6 ного напряжения (напомним, что начальная фаза опорного напряж"".Иия первой гармоники принята равной нулю, поэто1 307 39! ) ! 1 )а,; б (. 1!»! 2к А б 1) »< N 2 )! ба, А,+бЬ„; к! 1 ба; 2 А„+бЬ», 1 ба; )(1 2 А +бЬк; б(1 )и (7) А =А,+бЬ .+ к !»! к! к! N ба, = -- arctg — —— »,1 А! ail. А,+бЬ ° 45 2к, »»! 55 му вектор А, лежит На действительной Ii оси); вектор напряжений К-й гармоники UyI (также безразлично фаэного напряжения или симметричной составляющей) сдвинут на угол бц „ относительно-вектора опорного напряжения А„ источника 1 8, начальная фаза которого относительно нуль-перехода опорного напряжения первой гармоники равна ц„, . 10 В результате обработки в блоке 24 выходных кодов АЦП в соответствии с формулами (5) определяются величины бЬ»., ба», которые равны проекциям вектора (»)1;-A, ) на действительную или мнимУю оси, и величины бЬк, бак, которые равны проекциям вектора (С в -A„) на ось, совпадающую по направлению с вектором А„, и на ось, перпендикулярную направлению вектора А . В блоке 24 вычисляются новые к! зна"ения Ак,, i, 7K, +„A»„ + H×»,i+1 Та ким образом, чтобы в следующем (i+ +1)-м цикле работы устройства векторы опорных напряжений А„., А1„, максимально приближались к векторам UK », 11«+I. Так как направление векK,» ».» А, 1,! + ° тора А, не изменяется в системе от1,14! счета устройства, то изменение угла сдвига фазы, вносимого фазовращателем 20, на величину б11), приводит к повороту вектора напряжения U на величину Щ, относительно вектора U, а вектора напряжения U« — на 1! 35 величину К бц); относительно вектора U, Иэ геометрических построений К» на фиг. 2 следует, что если новые значения указанных величин, с учетом того, что значения синусов в блоке 23 определены для углов, кратных 2 !»/N, будут в блоке 24 определены по формулам: 1, А, „,«((А,.+Lb„,) + (аа,,) а то векторы 11к„! .и А„„,, !11,,, и А»,,».! практически совпадут. Формулы 1,6) довольно громоздкие, поэтому, чтобы избежать вычисления функций арктангенса и корня квадратного, можно воспользоваться приближенными зависимостями: В этом случае процесс уравновешивания напряжений U u UK выполняется за несколько циклов, т.к. формулы (7) практически совпадают с (6) только при малых значениях ба», бЬ», ба„, бЬ„. Однако после уравновешивания устройство отслеживает все изменения параметров входных напряжений и применение упрощенных формул (7) практически не ухудшает быстро— действия устройства. Указанные величины малы только тогда, когда в системе напряжений на выходах сумматоров 4-6 напряжения прямой последовательности основной частоты и напряжение Б-й последовательности К-х гармоник равны нулю или в случае измерения параметров однофазного напряжения напряжения первой и К-й гармоник в выбранной фазе равны нулю. Это возможно только при совпадении векторов напряжений U, и А ; U è А„. Результат измерения — амплитуда А„ или начальная фаза (1) — заносится в регистр 26 и индицируется блоком 27. Формула изобретения Устройство для измерения параметров трехфазной сети, содержащее три масштабных преобразователя, три сумматора первые входы которых через соответствующие масштабные преобразователи соединены с входными шинами, масштабно-суммирующий блок, входы которого подключены к выходам первого, второго и третьего сумматоров, первый переключатель, входы которого соединены с соответствующими выходами масштабно-суммирующего блока, первый цифроаналоговый преобразователь, вычислительный блок, пульт управления, постоянный запоминающий блок, первый источник опорных напряжений, выходы которого соединены с вторыми входами первого, второго и третьего сумматоров соответственно, блок синхронизации, блок индикации, который через регистр соединен с 1яиной данных, которая также подключена lЗ07396 к входам постОянного запокинаю1яеГО блока, к IIP pB bIM HH@opMBIIHQHHbl! 1 Вхо дям первого источника опорных напряжений и к информационным выходам Bbl числительного блока, причем вторые информационные входы первого источника опорных напряжений и информационные входы первого цифроаналогового преобразователя присоединены к выкодам постоянного запоминающего бло- 10 ка, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введены второй источник опорных напряжений, f5 второй переключатель, второй, третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи, четвертый и пятый сумматоры, первый и второй аналого-цифровые. преобразователи, дешифратор адреса и gp управляемый фазовращатель, вход которого подключен к выходу первого масштабного преобразователя, а выход к первому входу блока синхронизации, при этом другие входы первого пере- 25 ключателя подключены к входам масштабно-суммирующего блока, а выходы первого переключателя через первый и второй цифроаналоговые преобразователи соединены с входами четвертого ЗО сумматора, выход которого подключен к входу первого аналого-цифрового преобразователя, входы второго переключателя подключены к соответствующим входам и выходам масштабно-сум35 мирующего блока, а выходы второго переключателя через третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи соединены с входами пятого сумматора, выход которого подключен к входу втОрого аналого-цифрового преобразователя, информационные выходы первого и второго аналого-цифровых преобразователей, пульта управления и блока синхронизации соединены через mHHy данных с первыми информационными входами второго источника опорных напряжений, с информационными входами управляемого фазовращателя и с информационными входами и выходами вычислительного блока, а вторые информационные входы второго источника опорных напряжений и информационные входы второго, третьего и четвертого аналого-цифровых преобразователей присоединены к выходам постоянного запоминающего блока, соответствующие выходы второго источника опорных напряжений соединены с третьими входами первого, второго и третьего сумматоров, кроме этого, входы запуска первого и второго аналого-цифровых преобразователей объединены и подключены к первому выходу блока синхронизации, второй выход которого соединен с входом запуска вычислительного блока, шина адреса которого через дешифратор адреса соединена с входами синхронизации занесения информации в первый и второй источники опорных напряжений, в первый, второй, третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи, в управляемый фазовращатель и регистр и с входами управления опросом первого и второго аналого-цифровых преобразователей, пульта управления и блока синхронизации. 1 307396 Составитель Н.Михалев Редактор М.Циткина Техред. Л.Олейник Корректор Л.Пилипенко Заказ 1629/46 Тираж 731 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам. изобретений и открытий 113035, Москва, 11(-35, Раутская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г ° Ужгород, ул. Проектная, 4
