Панорамный анализатор частотных характеристик входного сопротивления промышленных электрических сетей

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU „„1383224

cs1) 4 .С 01 R 27/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ >,:

H А BTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3636533/24-21 (22) 24.08.83 (46) 23.03,88. Бюл. № 11 (71) Омский политехнический институт (72) В.И.Розенов (53) 621.317.73(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹- 960663, кл. G 01 R 27/16, 5. 12.80.

Авторское свидетельство СССР

¹ 808972, кл. G 01 R 27/02, 28.11.87. (54)(57) 1. ПАНОРАМНЫЙ АНАЛИЗАТОР

ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СЕТЕЙ, содержащий. управляемую нелинейную нагрузку, первый зажим которой подключен к исследуемой сети, второй зажим соедийен с корпусом (землей), управляющие входы соединены соответственно с выходами блока управления нагрузкой, индикатор, измерительный трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к исследуемой сети, отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерения и увеличения разрешающей способности анализатора на частоте, введены задатчик кода, последовательно соединенные генератор прямоугольных импульсов, управляемый двоичный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, а также последовательно соединенные режекторный фильтр, выпрямитель и фильтр нижних частот, причем выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом блока управления нагрузкой и с входом управления электронным лучом по горизонтали индикатора, вход управления электронным лучом по вертикали которого соединен с выходом фильтра нижних частот, . вторичная обмотка измерительного трансформатора напряжения подключена к входу режекторного фильтра, дополнительный вход управляемого двоичного счетчика соединен с выходом задатчика кода, вход которого соединен с выходом переполнения счетчика.

2. Панорамный анализатор по п. 1, отличающийся тем, что блок управления нагрузкой содержит последовательно соединенные преобразователь напряжения в частоту следования импульсов и генератор функций

Уолша, выходы которого соединены с выходами блока управления нагрузкой, входом которого является вход преобразователя напряжения в частоту следования импульсов, 3. Панорамный анализатор по п.1, отличающийся тем, что управляемая нелинейная нагрузка выполнена в виде параллельных цепей, сос поящих из последовательно соединенных весового резистора и электронного ключа, управляющие входы электронных ключей соединены с соответствующими выходами блока управления нагрузкой, общие выводы весовых резисторов соединены с первым зажимом управляемой нелинейной нагрузки, общие выходы электронных ключей соединены с выводом дополнительного переменного резистора, второй вывод которого соединен с вторым зажимом управляемой нелинейной нагрузки.

1 1383224

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения и исследования частотных характеристик входных сопротивлений электроэнергетических сис5 тем и систем электроснабжения промышленных предприятий.

Известен анализатор . полных гармонических сопротивлений многофазной электрической системы с нелинейной и несимметричной нагрузкой, содержащий два блока деления, блок управления, генератор двух симметричных взаимоортогональных m- ôàçíûõ прямоугольных систем напряжений и четыре. идентичных канала, выполненных .в виде последовательно соединенных сумматора и фильтра нижних частот, 2m ключей для переноса спектра, 2т филь- 20 ! тров низкой частоты, 4m ключей, причем ш-входы анализатора через ключи для переноса спектра соединены с фильтрами низкой частоты, выходы которых через 4m ключей соединены с сумматорами первого и второго каналов и другие 4m — с сумматорами третьего и четвертого .каналов соответственно, управляющие. входы 4m ключей соединены с выходами генератора двух 30 симметричных взаимоортогональных

m-фазных прямоугольных систем напряжения, вход которого соединен с выходом блока управления, другой выход которого соединен с управляющими входами 2m ключей для переноса спек35 тра.

Особенностью этого анализатора является то, что его принцип действия основан на анализе уже имеющихся в

40 данном узле сети искажениях напряжения и тока, создаваемых нелинейной нагрузкой сети. Результатом анализа является измерение высших гармоник напряжения и тока, по величйнам ко45 торых определяют значения частотной зависимости входного сопротивления электрической .сети в дискретных точках на оси частот, так называемые гармонические сопротивления (1 )..

Недостатками известного анализа1 тора являются низкая разрешающая способность по частоте и низкая точность измерения, Низкая разрешающая способность вызвана тем, что измерение входного

55 сопротивления сети может быть осуще- ствлено только на частотах, кратных основной частоте сети (с шагом в

50 Гц), так как сетевые нелинейные нагрузки генерируют в сеть гармоники токов с частотами в 100, 150 Гц и т.д. Следовательно, частотная характеристика входного сопротивления может быть измерена только в дискретных точках, отстоящих друг от друга, не менее чем на 50 Гц. Низкая точность измерения обусловлена тем, что кроме нелинейной нагрузки, подключенной в исследуемом узле, в сети, как правило, имеется множество других нелинейных нагрузок (сварочные машины, вентильный электропривод, люминесцентное освещение и др.), причем гармоники, которые они генерируют, являются паразитными по отношению к гар моникам, генерируемым основной нелинейной нагрузкой, и вносят дополнительную погрешность в измерения. Кроме этого, для получения приемлемой точности измерения необходимо, чтобы гармоники тока и напряжения, используемые в измерении, все имели достаточную величину. В реальных системах электроснабжения это условие не выполняется и гармоники с увеличением их порядкового номера, как правило, быстро уменьшаются по величине.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является устройство для измерения частотной характеристики модуля входного сопротивления распределительной сети, содержащее управляемую нелинеиную нагрузку, к которой подключен анализатор спектра напряжения и тока, блок управления нелинейной нагрузкой и делитель частоты напряжения сети, выход которого подключен к входу блока . управления нелинейной нагрузкой..

С помощью такого устройства производится измерение входного сопротивления электрической сети на частотах, не кратных основной частоте сети, а именно на частотах 75, 125, 175 Гц и т.д. Это позволяет отстроиться от влияния паразитных гармоник, создаваемых другими нелинейными нагрузками 123.

Однако известное устройство имеет низкую разрешающую способность по частоте,. так как измерение может быть осуществлено только в дискретных точках на оси частот, из-за чего мо- гут быть пропущены резонансные всплески и провалы на кривой искомой час1383224 тотной характеристики. Кроме того, устройство имеет большую погрешность измерения, возрастающую с увеличением частоты из-за уменьшения амплитуд

5 гармоник с увеличением их порядкового номер а. .Недостатком устройства является также сложность и трудоемкость процесса измерения — для его осуществле-Io ния необходимо иметь анализатор для одновременного определения спектра напряжения и тока. Использование одного анализатора спектра обычного .типа приводит кнеобходимости измерять15 гармоники напряжения и тока в разные моменты времени. В результате появляется погрешность из-за неодновременности измерения, так как в паузу между двумя циклами измерения искомая2р частотная характеристика может измениться (коммутации электрооборудования, изменения режима работы нагрузок и т.д.). Использование двух анализаторов спектра также практически не- 25 возможно из-за трудностей по их синхронизации.

Известное устройство может быть применейо только для грубой оценки частотной характеристики входного сопротивления электрической сети в нескольких точках на оси частот.

Цель изобретения — повышение точности измерения и увеличение разрешающей способности анализатора по частоте.

Поставленная цель достигается тем, что в панорамный анализатор частотных характеристик входного сопротивления промышленных электрических сетей, содержащий управляемую нелинейную нагрузку, первый зажим которой подключен к исследуемой сети, второй зажим соединен с корпусом (землей), управляющие входы соединены соответ- 45 ственно с выходами блока управления нагрузкой, индикатор, измерительный трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к исследуемой сети, введены задатчик кода, последовательно соединенные генератор прямоугольных импульсов, управляемый двоичный, счетчик и цифроаналоговый преобразователь, а также последовательно соединенные режекторный фильтр, выпрямитель и фильтр нижних частот, причем выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом блока управления нагрузкой и входом управления электронным лучом по горизонтали индикатора, вход управления электронным лучом по вертикали которого соединен с выходом фильтра нижних частот, вторичная обмотка измерительного трансформатора напряжения подключена к входу режекторногQ фильтра, дополнительный вход управляемого двоичного счетчика соединен с выходом задатчика кода, вход которого соединен с выходом переполнения счетчика.

Блок управления нагрузкой содержит последовательно соединенные преобразователь напряжения в частоту следования импульсов и генератор функций

Уолша, выходы которого соединены. с выходами блока управления нагрузкой, входом которого является вход преобразователя напряжения в частоту следования импульсов.

Управляемая нелинейная нагрузка выполнена в виде параллельных цепей, состоящих из последовательно соединенных весового резистора и электронного ключа, управляющие входы элек-, тронных ключей соединены с соответствующими выходами блока управления нагрузкой, общие выводы весовых резисторов соединены с первым зажимом управляемой нелинейной нагрузки, общие выходы электронных ключей соединены с выводом дополнительного переменного резистора, второй вывод которого соединен с вторым зажимом управляемой нелинейной нагрузки, На фиг.1 представлена блок-схема панорамного анализатора; на фиг.2— принципиальная схема управляемой нелинейной нагрузки; на фиг.3 — график функции изменения сопротивления нелинейной нагрузки;;на фиг.4 — спектр функции изменения сопротивления нелинейной :нагрузки по системе ортогональных базисных функций Уолша.

Анализатор (фиг.1) содержит управляемую нелинейную нагрузку 1, блок 2 управления нагрузкой, состоящий из последовательно соединенных генератора 3 прямоугольных функций Уолша и преобразователя 4 напряжения в частоту следования импульсов, цифроаналоговый преобразователь 5, управляемый двоичный счетчик 6, задатчик 7 кода, генератор 8 прямоугольных импульсов, индикатор 9 электронно-лучевой, фипьтр 10 нижних частот, выпрямитель 11, режекторный фильтр 12, 13832

5 трансформатор 13 напряжения и вольтметр 14 действующего значения напряжения.

Выход генератора 8 прямоугольных импульсов соединен с последователь- 5 но соединенными управляемым двоичным счетчиком б и цифроаналоговым преобразователем 5, выход которого соединен с входом блока 2 управления нагрузкой и с одним из входов индикатора 9, выход задатчика 7 кода соединен с дополнительным входом управляемого двоичного счетчика 6, выход переполнения которого соединен с входом задатчика 7 кода, первичная обмотка трансформатора 13 напряжения и первый зажим управляемой нелинейной нагрузки 1 подключены .к исследуемой сети, вторичная обмотка трансформатора 13 напряжения подключена к входу режекторного фильтра 12, к выходу которого через выпрямитель 11 и фильтр 10 нижних частот подключен индикатор 9.

Сущность изобретения состоит в следующем..

В установившемся режиме напряжение в исследуемом узле электрической сети может быть описано синусоидальной функцией

U,(t) = Umsinvt y (1) где Um — амплитудное значение напряжения сети;

ы= 2И вЂ” угловая частота напряжения сети (Е = 50 Гц). 35

Если к исследуемому узлу сети подключить нелинейную нагрузку 1, проводимость g(t) которой изменяется во времени по следующему закону

g(t) = 1 — G>cos at, (2) 40 где С вЂ” постоянная величина, значение которой удовлетворяет условию -С,„ с1; а — угловая частота, текущее время, 45 то мгновенное значение потребляемого (генерируемого) этой нагрузкой 1 тока определится из выражения

i(t) = U,(t)g(t) = U„sinu)t +

UrnG m

+ — — (s in(ы — а) t + sin(M+ а) t ). (3)

Протекание этого тока приведет к возникновению падения напряжения на входном сопротивлении электрической сети, внешней по отношению к ветви с нелинейной нагрузкой 1. Это падение напряжения в соответствии с законом

Ома описывается выражением

24

4Б c(t) = Z U sin

1 х sin(— а)е + -Б С Е, sin(+ a)Е, 1 (4) где Е, Z, Z „- модули входного сопротивления электрической сети соответственно на частотах ы, м — а и ы+ а.

Падение напряжения, описываемое формулой (4), накладывается на синусоиду основного напряжения сети,описываемого выражением (1), и приводит к его искажению. Результирующее напряжение имеет вид

4U,(t) = U,(t) + Ли (t) = (U„+

1

+ Z U„)sincut + -У С Е sin(uо — a)t+

+ -П С Е,„sin(ю + a)t. (5)

Если ::из выражения (5) отфильтро( вать составляющую основной частоты сети ы, то получим напряжение а) +

+ Е„„яз.п(ы + а)г.). (6)

Эффективное U, (действующее) значение напряжения (6) пропорционально эквивалентному сопротивлению сети в полосе частот ь — а и ы + а, так как величины Б и С„ заданы

Очевидно, что если осуществлять плавную перестройку частоты а, с которой изменяется нелинейная нагрузка

1, то величина U + будет описйвать во времени кривую, соответствующую искомой частотной характеристике входного сопротивления электрической сети.

Практически можно управлять только сопротивлением нагрузки 1. Закон " изменения сопротивления нелинейной нагрузки 1 имеет вид

1 1

Z(t) (8)

g(t) 1 — G„cos at

График функции Z(t) приведен на фиг.3 °

Нелинейная нагрузка 1, проводимость которой изменяется во времени по закону (2), может быть реализована схемой, представленной на фиг.2, где каждый из ключей К,, ..., К„(за1383224 пираемые тиристоры, транзисторы и др.) управляется своей прямоугольной функцией Уолша, а номиналы резистороа R.1 ° ° °, В.„ численно paaH i sHaze- 5 ниям соответствующих спектральных коэффициентов функции Уолша, коммутируемой данным ключом.

Дополнительный резистор R необходим для плавной регулировки величины 10 суммарного тока, протекающего через нагрузку 1.

Анализатор работает следующим образом.

С момента включения питания импульсы с выхода задающего генератора

8 начинают заполнять счетчик б.. С поступлением каждого импульса происходит увеличение кода в счетчике 6 на единицу. Соответственно на выходе цифроаналогового преобразователя 5 имеет место линейно-ступенчатый рост аналогового напряжения. Преобразователь 4 преобразует это напряжение в частоту следования импульсов. 25

По мере поступления импульсов с выхода генератора-8 на вход счетчика 6 на выходе преобразователя 4 имеет место линейный рост частоты сле.дования импульсов. Соответственно из- 3О меняется и длительность функций Уолша, генерируемых генератором 3. Последнее приводит к такому же постепенному (линейному) росту частоты, с которой изменяется нелинейная нагруз- . ка 1.

Несинусоидальный ток нелинейной нагрузки 1 порождает искажение напряжения сети, описываемое выражением (5) . Это напряжение через трансфор- 4р матор 13 поступает на вход режекторного фильтра 12, который подавляет в напряжении сети составляющую частоты 50 Гц. На выходе фильтра 12 выделяется напряжение, описываемое выражением (6) . После выпрямления выпрЪмителем 11 и выделейия постоянной составляющей фильтром 10 напряжение, пропорциональное входному сопротивлению сети в полосе частот ы — а, ы + а, поступает на вход управления лучом индикатора 9 по вертикали. Так как на вход управления лучом индикатора 9 по горизонтали поступает линейно возрастающее напряжение с выхода цифроаналогового преобразовате55 ля 5, то отклонение луча по горизонтали пропорционально частоте, с которой изменяется нелинейная нагрузка

1. Соответственно отклонение луча по вертикали пропорционально входному сопротивлению сети, описываемому выражением (7),. Следовательно, по мере изменения частоты изменения нагрузки

1, луч на экране индикатора 9 будет описывать плавную кривую, соответствующую искомой частотной характеристике входного сопротивления электрической сети.

После переполнения счетчика б описанный процесс работы анализатора циклически повторяется, что обеспечивает непрерывное изображение частотной характеристики сети на экране индикатора 9. Скорость сканирования луча индикатора 9 может быть изменена путем изменения частоты следования импульсов с выхода генератора 8. Для панорамного исследования отдельных участков частотной характеристики в схеме анализатора имеется задатчик 7 кода. С его помощью в счетчике б исходно фиксируется код, соответствующий требуемому моменту начала сканирования. Задатчик 7 кода обеспечивает перепись заданного кода в счетчик 6 сразу после появления очередного импульса переполнения этого счстчика. Тем самым осуществляется циклическое изменение напряжения на вы-! ходе преобразователя 5 с заданного уровня °

Таким образом, может быть визуаль-., но просмотрен произвольный участок искомой частотной характеристики сети, Если нет необходимости в визуаль- ном наблюдении частотной характеристики на экране индикатора„ 9, -,o индикатор 9, фильтр 10, выпрямитель 11 могут быть исключены из схемы на фиг.1. Вместо них может быть подключен вольтметр 14 эффективного (действующего) значения напряжения непо- средственно к выходу фильтра 12, В этом случае ..на время измерения входного сопротивления электрической сети в одной (требуемой) точке частотной характеристики целесообразно блокировать поступление импульсов генератора 8 на вход счетчика б.

Предлагаемый панорамный анализатор по сравнению с известным имеет более высокую точность измерения входного сопротивления электрической сети, обусловленную тем, что искажение,. вносимое нелинейной нагрузкой, сосредоточено в узкой частотной об1 383224 ласти (р — а, ..., ю + а) и не зависит от частоты, на которой произво-. дится измерение искомого сопротивления и, кроме того, более высокую разрешающую способность, так как измерение осуществляется не в дискретных точках по оси частот, а в любой .(произвольной) точке.

1.383224

2(1) фиг. Ю

Составитель Л;Фомина

Техред А. Кравчук

Корректор С.Шекмар

Редактор С.Пекарь

Заказ 1290/41 Тираж 772

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4