Устройство для измерения частотной характеристики входного сопротивления промышленной электрической сети

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СООИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (191 111) 9512 А 1 (51) 4 G 01 R 27 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 3862431/24-2! (22) 05.03.85 (46) 23.11.88. Бюл. У 43 (71) Омский политехнический институт (72) В.И. Розенов и А.В, Монин (53) 621.317.53(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1383224, кл. G 0) R 27/02, 1984. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ, содержащее нелинейную нагрузку, первый вывод которой соединен с исследуемой точкой сети, а другой — с шиной земли, блок управления, выходы которого подключены к управляющим входам нелинейной нагрузки, измерительный трансформатор напряжения, первичная обмотt ка которого подключена к первому и вто рому выводам нелинейной нагрузки соот)ветственно,а также управляемый генератор импульсов и вольтметр, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения точности измерения, дополнительно, введены первый, второй и третий делители частоты, фильтр основной частоты сети, умножитель частоты, блок выделения боковой часто— ты, частотомер и синхронный фильтр к выходу которого подключен вольтметр, первый вход синхронного фильтра соединен с вторичной обмоткой измерительного трансформатора напряжения и входом фильтра основной частоты сети, выход которого через умножитель частоты соединен с первым входом блока выделения боковой частоты, выход которого соединен с вторым входом синхронного фильтра и через третий делитель частоты — с частотомером, к выходу управляемого Генератора импульсов подключены входы первого и второго делителей частоты, выходы которых соединены соответственно с входом блока управления и вторым входом блока выделения боковой частоты.

2. Устройство по и. 1, о т,п и ч а ю щ е е с я тем, что блок управления содержит последовательно соединенные счетчик импульсов и постоянное запоминающее устройство, входом блока управления является вход счетчика импульсов, а выходами являются выходы постоянного запоминающего устройства.

3. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок вы- (, деления боковой частоты содержит два цифроаналоговых преобразователя, два перемножающих цифроаналоговых преобразователя, сумматор, формирователь прямоугольных импульсов, а также два двоичных счетчика и два постоянных запоминающих устройства, причем вьют» CO ды первого и второго двоичных счетчи- Cilia ков соединены с адресными входами первого и второго постоянных запоминаю- ф щих устройств соответственно, входы первого и второго цифроаналоговых преобразователей соединены соответственно с первой и второй группами выхо дов первого постоянного запоминающего устройства, а выходы цифроаналоговых преобразователей соединены с входами опорного напряжения соответственно первого и второго перемножающих цифроаналоговых преобразователей, входы которых соединены соответствен!!739512 но с второй и первой группами выходов нгорого постоянного запоминающего уст ройства, выходы перемножлющих цифроаналоговых преобрлзовлтелей соединепьi с первым и вторым входами сумматора, к выходу которого подключен формиро!

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано Д71я измерения и исследования частотных характеристик входного сопротивления электроэнергетических систем и систем. 5 электроснабжения промьппленных предприятий.

Цель изобретения †.повьппение точности измерения частотных характерис-тик входного сопротивления промьпален- 1О ных электрических сетей.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг. 2— функциональная схема блока выцеления боковой частоты; на фиг. 3 — временная диаграмма генерации функций Уол7па; на фиг. 4 — функциональная схема синхронного фильтра; на фиг. 5 — функциональная схема нелинейной нагрузки.

Устройство содержит (фиг. 1) управ- ляемую нелинейную нагрузку 1, блок 2 управления; управляемый генератор 3 импульсов, первый 4 и второй 5 делители частоты, блок 6 выделения боковой частоты, синхронный фильтр 7, фильтр 8 основной частоты сети, умножитель 9 частоты, трансформатор 1 0 напряжения, частотомер 11, третий делитель 12 частоты и вольтметр 13.

Блок 2 управления нелинейной нагрузкой включает в себя постоянное запоминающее устройство 14 и счетчик 15 импульсов.

Нелинейная нагрузка 1 одним з лжи- 35 мом подключена к исследуемой точке сети, второй ее зажим соединен с нейтралью сети, а управляющие входы нелинейной нагрузки 1 соединены с выходами постоянного злпоминлюще1 о 40 устройства 14 блока ? управления.

Адресные входь1 постоя77н1 г71 зяпоиинлн1щего устройства 14 соепинены с

1зчходлми счетч17кя .1 ItxntE к!1 l npriro

ВЛТЕJIE IIMII+JII>СОН ВЫХОД KATOPOI IJ RBJIII ется выходом блока выделения боковой члстоты, л входы двоичных счетчиков являются входлми блокл выделения боковой члстоты. является входом блокл 2 управления.

Выход управляемого генератора 3 импульсов соединен с входами первого 4 и второго 5 делителей частоты, выходы которых соответственно соединены с входом блока 2 управления и первым входом блока 6 выделения боковой частоты. Первичная обмотка измерительного трансформатора 10 напряжения подключается к зажимам нелинейной нагрузки 1, вторичная обмотка соединена с первым входом синхронного фильтра 7 и через фильтр 8 основной частоты сети и умножитель 9 частоты с вторым входом блока 6 выделения боковой частоты, выход которого соединен с вторым входом синхронного фильтра 7, являющимся управляющим входом фильтра. Выход блока 6 выделения боковой частоты также через третий делитель 12 частоты соединен с частотомером 11, л к выходу синхронного фильтра 7 подключен вольтметр 13.

Блок 6 выделения боковой частоты (фиг. 2) содержит двоичный счет— чик 16„ постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 17, пифроянллоговые преобразователи 18 и !9, двоичный счетчик 20, постоянное запоминающее устройство 21, первый 22 и второй 23 перемножающие цифроаналоговые преобразователи, сумматор 24 и формирователь 25 им11ульсон, тлкто— вые входы двоичных c !pT IEIKní l б и

20 соответственно соединень1 с первым и вторым входлми блокл б.

Выходы каждого из дво17чныл счетчиков l6 и 20 соедипены гоответственно с адресными лхоцл.1и 11 стоян— ных запоминяюп1их ус т1 117" в 7 и 21 .

Каждое из пост 717tftl)>; 1:t! tr 1 1п1лкщих

УСтРОйСтн 1 ОДЕ 71 7 il . 11ЧI 1 ГУ1111Ы 77ЫХО

ДОВ ГТ РИЧЕМ 11Р, >,: t t t> : T;1 t Г !)У1111Ьl

<: !951

ВЫХОДОВ ПЕРВОГО !(<>(.Т(1ЯН1!О! (1! З(1((Оминающего устройства 17 соединены соответственно с цифровыми входа !и цифроаналоговых преобразователей 18 и 19. Цифровые входы перемножающих цифроаналоговых преобразователей 2? и 23 соединены соответственно с второй и первой группой выходов второго постоянного запоминающего устройства 21. Выходы цифроаналоговых преобразователей 18 и 19 соединены соответственно с входами опорного напряжения перемножающих цифроаналоговых преобразователей 22 и 23, выходы которых соединены с входами сумматора 24. К выходу сумматора подключен формирователь 25, выход которого является выходом блока вьделения боковой частоты.

Синхронный фильтр 7 (фиг. 4) содержит счетчик 26, дешифратор 27, резистор 28 с сопротивлением Б и параллельные цепочки, содержащие после— довательно включенные конденсатор

29 с емкостью С и ключ 30, причем общая точка соединения конденсаторов является одновременно выходом синхронного фильтра и через резистор

28 соединена с первым входом синхронного фильтра. Общая точка соединения ключей 30 связана с общей точкой схемы, а входы управления ключей соединены с выходами дешифратора 27, входы которого подключены к выходам счетчика 26, вход которого является вторым входом синхронного фильтра, Нелинейная нагрузка 1 выполнена (фиг. 5) в виде нескольких параллельно соединенных цепочек, каждая из которых содержит последовательно соединенные ключ 31 и весовой резистор 32, причем первым зажимом управляемой нелинейной нагрузки является общая точка соединения весовых резисторов.

Устройство работает следующим образом.

После включения питания управляемый генератор 3 импульсов генерирует прямоугольные импульсы, которые поступают на вход первого делителя 4 частоты. С выхода первого делителя 4 частоты импульсы поступают на вход блока 2 управления, который управляет проводимостью нелинейной нагрузки 1 по закону

g (t ) =- G (1+Ксов2Я ) Uðl(уел г и1,:.т(на(!ряжение В uccs1p(1vpм(Й г((кг сети си1!усоидально

U(, . 1,. .! ?(((„.)1„.

В ток, (!ротек;1н !и!!!! !1n нелинейной нагрузке !1меет сост(!я!1ян1щую с ча(тотой сети 1.(7 1, = (, . В1ц2%(,1

10 и две сост(!в:1(!(щие боковых частот ф+ гр и oC — ((1, ВО.-!никающие вследствие перемножения двух синусоицальных функций с частотами с и 03

15 и — — — — "- — -1п2 (с(3 l) t

Токи боковых частот 1.,г „! и протекая llo элементам сети, вызывают падение напряжения на эквивалентных

20 входных сопротивлениях сети Zg (,1 и

Е.„,, на соответствующих частотах, т. е. (- !1(+(, 1 1 с(. + Q Z (.(.+(.!

Ug „ = i ° Е„(д.

Таким образом, в исследуемой точке сети посредством нелинейной нагрузки 1 генерируется измерительный 0 сигнал, содержащий две составляющие с частотами с/ +Гд и о(. — (Д, амплитуда каждой из которых пропорциональна модулю соответствующего входного сопротивления сети.

Сигнал в исследуемой точке сети через измерительный трансформатор 10 напряжения поступает на первый вход синхронного фильтра 7. На выходе синхронного фильтра вьдяляется состав—

4О ляющая напряжения одной боковой частоты, величина которой измеряется вольтметром 13.

Автоматическая настройка синхронного фильтра 7 на сигнал одной боко46 вой частоты осуществляется совместной работой блоков 5, 6, 8 и 9. Блок

6 вьделения боковой частоты генерирует на своем выходе последовательность импульсов с частотой, кратной частоте одной из боковых частот измерительного сигнала. Положим для определенности, что сигнал на его выходе имеет частоту, кратную нижней боковой частоте, а именно Ы 6

55 что не влияет на ход рассуждений и конечный результат. Для получения сигнала такой частоты на входы блока 6 вьделения боковой частоты должны быть поданы сигналы с частотами

5 14395 кратными частоте управления нелинейной нагрузкой О(и частоте сети Д,.

С выхода умножителя 9 частоты на первый вход блока 6 выделения боковой частоты поступают импульсы с

5 частотой, кратной частоте сети сО, поскольку на входе умножителя 9 час— тоты присутствует сигнал основной частоты сети (50 Гц), Сигнал полу-чен из исходного сигнала в исследуемой точке сети посредством фильтрации фильтром 8 основной частоты сети.

На другой вход блока 6 выделения боковой частоты поступае сигнал, 15 синхронный с сигналом управления нелинейной нагрузкой 1, поскольку оба сигнала получены от одного управляемого генератора 3 импульсов.

Указанные сигналы имеют кратное отношение частот, т.е. частота сигнала на выходе второго делителя 5 частоты кратна частоте с(управления нелинейной нагрузкой.

Таким образом, выделение и измере- 25 ние составляющей напряжения нижней боковой частоты Ы вЂ” ьд осуществляется автоматической настройкой синхронного фильтра 7, на вход управления которого 1на его второй вход) всегда З0 подается сигнал с частотой, кратной разности частот М. — Я. Именно наличие на втором входе синхронного фильтра 7 сигнала с частотой„ кратной разностной частоте 4 — оЗ, обеспечивает в процессе измерений точную настройку синхронного фильтра 7 на измерительный сигнал Ugg, генерируемый нелинейной нагрузкой в сеть.

Одновременно с измерением составляю- 40 шей. напряжения нижней. боковой частоты U посредством вольтметра 13, частотомер 11 измеряет и индицирует текущее значение боковой частоты с — я, на которой в данный момент измеряется составляющая U„ <. Ее величина, как уже указывалось, пропорциональна,модулю искомого входного сопротивления сети на этой же частоте, а именно Е ь .

Третий делитель 12 частоты обеспечивает на своем выходе именно текущее значение частоты измерений 4 - Ы путем деления частоты, ей кратной, присутствующей на выходе блока 6 выделения боковой частоты.

Из описания работы устройства видно, что, изменяя частоту управляемого генератора импульсов 3, можно иэ12 мерить входное сопротивление исследуемой сети в любой точке на оси частот. Очевидно также, что путем непрерывного измерения сопротивления может быть измерена (построена) искомая частотная характеристика входного сопротивления сети.

Функционирование некоторых блоков устройства, а также соотношения частот сигналов при проведении измерений поясняется следующим.

Как уже отмечалось, блок 2 управления (фиг, 1):обеспечивает измерение проводимости нелинейной нагрузки во времени по закону

g(t) = G (1+Êñîa2%Í ) (1) Данный закон изменения проводимости, как и в известном устройстве реализуется путем аппроксимации функциями

Уолша. Для удовлетворительной аппроксимации достаточно использовать 4-8 функций Уолша. Генерация функций Уол— ша обеспечивается путем циклического считывания значений этих функций из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 14, куда они предварительно записываются. Пример записи информации в ПЗУ 14 для генерации первой, пятой и седьмой функций Уолша (Mal 1, Mal 5, Mal 7) приведен в таолице.

По мере поступления тактовых импульсов на вход счетчика 15 происходит последовательное считывание информации из ячеек памяти ПЗУ 14. При этом на его выходах (разрядах) генерируются функции Уолша в соответствии с записанной в нем информацией (фиг. 3) Из таблицы и фиг. 3 следует, что количество разрядов ПЗУ 14 должно определяться числом функций

Уолша, необходимых для аппроксимации закона изменения проводимости нелинейной нагрузки, а число информационных слов, подлежащих записи в

ПЗУ вЂ” наибольшим номером используемых функций Уолша. При последовательной адресации ПЗУ 14 посредством счетчика 15 генерируемые на выходах

ПЗУ 14 функции Уолша управляют состоянием соответствующих ключей нелинейной нагрузки l. В цепи последних включены весовые реэисторы с сопротивлениями, обратно пропорциональными по величине амплитудам соответствующих функций Уолта в спект1 ре разложения фуи спии (1, в ряд Фурье по функциям У чти.

I4 <О !2

Блок 6 вьделения боковой частоты осуществляет операцию суммирования (вычитания) частот »асредством схемной реализации тригонометрического тождества

ыnC4 ° сosЛ + сoзсй s1гнЛ (2) sin(cc + Q)t

45

Согласна принятому соглашению блок

6 вьделения боковой частоты генери рует на своем выходе сигнал с частотой, кратной разности частоты управления нелинейной нагрузки g и !5 частоты cere cD. Генерация сигнала разностной частоты осуществляется следующим образом.

Гармонические функции левой части тождества генеририруются пасред- ?О ством считывания значений этих функций в двоичном коде иэ ПЗУ 17 и 21, и преобразование их в аналоговый сигнал с помощью перемножающего цифроаналогового преобразователя 25

22 и 23, подобно тому, как это осуществляется в блоке 2 управления нелинейной нагрузкой для генерации функций Уолша. Таким образом, для того, чтобы получить на выходе блока З0

6 выделения боковой частоты сигнал с частотой оС -Сд, на его входы должны быть поданы импульсные сигналы с частотами, в определенное число раз больше частот OC u CD. Если гармонические сигналы, генерируемые укаэанным образом, задаются некоторым К вЂ” числом дискретных выборок, то соответственно на входы блока выделения боковой частоты должны быть 40 поданы сигналы с частотами К,А и К 41

Из соображений технологичности элементы блока вьделения боковой частоты могут быть выполнены однотипными, т.е. однотипны между собой двоичные счетчики 16 и 20, ПЗУ 17 и 21, цифроаналоговые преобразователи 18 и 19, перемнажающие цифроаналоговые преобразователи 22 и 23. Преобразователь 18(19) осуществляет преоб- 50 разование цифрового кода, поступающего на его входы, в соответствующий ему па величине и знаку аналоговый сигнал на его выходе. Перемножающий цифроайалоговый преобразователь 55

22(23) осуществляет перемножение аналогового сигнала, поданного на его вход опорного напряжения, и нек< торага коэфф»ц»ента, изменяющегося в »ределах от — 1 да +l и соответствующего коду цифрового слова, паланногo на п»фровые входы перемножающега цифроаналогового греобраэователя.

Таким образом, реализация таждест-, 1 ва (2) осуществляется следующим образам. Ня входы двоичных счетчиков

i6 » 20 irngаются прямоугольные импульсы соответственно с частотами

К М и К (у . Счетчик 16 с каэффицие»там пересчета, равным К,1, обеспечивает циклическое считывание выборок с»ну а»дальных и косинусоидальных функций »э ПЗУ, таким образом, чтобы, например, í"- .цифровые входЫ преобразователя !8 поступали коды

s1r1-функции, » соответственно на входы преобразователя 19 — cos-функции.

На выходах преобразователей 18 и 19 генерируются соответственно синусоидальный и косинусаидальный сигналы с произвольной амплитудой Ucrrr и частатой сХ . Аналогична работают двоичный счетчик 20, ПЗУ 21, преобразователи 2? и 23 с тай лишь разницей, что преабраэавател :, "2 и 23 управляются соответственно кодами ccs- и sin-функ. ций. В итоге на выходе преобразователя 22 генерируется сигнал U „sin2FHt <

zcos2%М, а на выходе преобразователи 23 — Ucircos2 0t cos2cDt. После вычитания укаэанных сигналов сумматорам 24 на его выходе присутствует синусаидальный сигнал разностнай частоты U„"rrsin2 (H -b3)t. Иэ полученного синусоидальнаго сигнала посредством формирователя 25 импульсов формируется периодическая последовательность импульсов, поступающая на управляющий вход синхронного фильтра 7. формирователь 25 импульсов может быть выполнен, например, по схеме компаратара напряжения с нулевым

1 порогом срабатывания. Предложенная реализация блока выделения боковой частоты обеспечивает периодичность выходного сигнала блока, необходимую для обеспечения правильной раба" . ты синхронного фильтра 7.

Синхронный фильтр 7 может быть реализован па схеме, представленной на фиг. 4. Управление частотой настройки синхронного фильтра 7 осуществляется подачей на его второй вход импульсного сигнала соответствующей

9 1439 частоты. Импульсы на входе счетчика

26 приводят к изменению его вь1ходно512 гс кода, в соответствии с которым

3с.мыкается соответствуляий ключ 30. г, Выбор соответствующего ключа и его замыкание осуществляется дешифраторсм 27. Таким образом, при поступлении импульсов ня управляющий (Второй) вход синхронного фильтра про- 1О исходит периодическое замыкание ключей 30 с частотой Г = !! „ /n, где

У,» — частота сигнала на входе уира»-ления, и — число элементарных интеграторов RC; . Частота Fc. определяет 7ас- 15 тоту настройки фильтра, т.е. при наличии на первом фильтре сигнала,, в спектре которого имеется составляя>щая с частотой 1, эта составляющая будет отфильтрована на выхоце фильтра 20 в виде п-ступенчатой синусоиды, Умножитель 9 частоть7 может быть выполнен по схеме фазовой автоподстройки частоты с депитепем часто.-ы в обратной связи. 25

Фильтр 8 основной частоты сети обеспечивает фильтрацию сигнала с частотой сети сб и способствует стабильной работе умножителя частоты при наличии в исследуемой точке сети значительных искажений кривой напряжения„ например, вследствие подключения в исследуемой сети мощных нелинейных потребителей электроэнер1

Ко! Ко м К82 К4 n Гг где К и

З0 К g — соответственно коэффициент деления первого 4 и второго 5 делителей частоты, — частота сигнала управляемого генератора 3 импульсов.

Следует отметить, что выбор коэффии7иентов деления делителей 4,5 и 12 частоты, коэффициента умножения умщ ножителя 9 частоты и частотного диапазона работы управляемого генерато— ра 3 импульсов я»ляется постоянным для всего устройства. Он зависит только от конкретного исполнения синхронного фильтра 7, блока 6 выделения боковой частоты и блока 2 управления нелинейной нагру кой.

Информация в ячейках ПЗУ 14

1 T" I

Разряды ПЗУ (функнии Уолша) Г 7 (0 0 !

Г) I

1 0

177а.!. 5

Ъ а1 7 гии.

Для обеспечения синхронной работы всего устройства в целом необходймо следующее соотношение частот сигналов. Нелинейная нагрузка 1 изменяет свою проводимость с частотой

Ж и генерирует в сеть сигнал частотами о(+Я и Ы вЂ” сд. Согласно предложенной схеме синхронного фильтра 7 для фильтрации сигнала с частотой о, -Q на управляющий (второй) вход фильтра должен быть подан импульсный сигнал частотой а (о — Cj1,где число элементарных интеграторов

НС>. 1!оложим для определенности,что двоичные счетчики блока выделения боковой частоты !6 и 20 (фиг. 2) имеют одинаковые коэффициенты пере— счета К (К q также равно числу интервалов аппроксимации з7 и и соз-функций ПЗУ 17 и 21). Следовательно, для получения HB выходе блока выделения боковой частоты сигнала с частотой

n(g — Я) на его входы должны быть

I поданы сигналы с частотами К,no(И

К,1п(! О" ñþäà ясно, что умножитель частоты должен иметь козффициент умножения частоты, равный К г..

При коэффициенте пересчета счетчика 15 блока 2 управления нелинейной нагрузкой, равном К7, для обеспечения частоты управления нелинейной нагрузкой Ы на вход блока 2 управления должен быть подан сигнал с частотой К!» Коэффициент деления делителей 4 и 5 частоты должен быть подобран таким образом, чтобы удовлетBopHJIooü равенство

rnmolue

O /Р1Л МЬСЬ/

РазрИ 1, faut))

Рлряд Г

beaut 5)

РазрФ У (маг 7) 1439512

Составитель 10. Сибиряк

Техред А.Кравчук

Корректор И. Муска.

Редактор В. Данко

П .«л««исное

Заказ б071/44

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгор««д,, у;;. !1р «;тна», М&

Р ) Тираж 772

В11ИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Моск««а, Ж-35, Раушская Ha6., д. 4/5