Преобразователь составляющих основной гармоники переменного тока в код
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (!9) Г
В (Г
К (2 (2 (4 (7
Н (5 р б к м
УДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ДОМСТВО СССР
CllATEHT СССР) АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
) 4760457/24
) 20.11.89
) 30.08.93, Бюл. ¹ 32
) Владимирский политехнический инсти) С,И,Малофеев и В.С.Мамай
) Авторское свидетельство СССР
397843, кл. G 01 R 19/06, 1988.
Авторское свидетельство СССР
1485141, кл. G 01 R 19/06, 1989, ) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОСТАВЛЙЮИХОСНОВНОЙ ГАРМОНИКИ ПЕРЕМЕНГО ТОКА В КОД
) Изобретение относится к электроизметельной технике и позволяет повысить стродействие измерения синфазной и адратурнои составляющих основной гарники переменного тока за счет формироИзобретение относится к электроизмер тельной технике и предназначено для исп льзования в системах автоматического у равления промышленным электрооборуд ванием, например, регулирующими и к мпенсирующими устройствами, а также в и формационно-измерительных системах к нтроля и учета электроэнергии, выполн нных на основе микроЭВМ.
Цель изобретения — повышение точнос и. при измерениях частоты измеряемого с гнала.
На фиг. 1 приведена функциональная с ема преобразователя составляющих освной гармоники переменного тока в код; а фиг, 2 показана функциональная схема ока задержки; на фиг. 3 приведены вреенные диаграммы работы устройства.
Преобразователь составляющих основой гармоники переменного тока в код со(s()s Н 03 М 1/60. G 01 R 19/06 вания кодов, пропорциональных синфаэной и квадратурной составляющим на скользящем интервале усреднения. Сигнал с выхода первичного.преобразователя тока задерживается на время, равное периоду измеряемого тока, с помощью блока задержки и вычитается из сигнала, пропорционального измеряемому току, Разность умножается на опорные синусоидальный и косинусоидальный сигналы.. Полученные произведения преобразуются в частотноимпульсные сигналы. Модулированные по частоте импульсы суммируются с помощью двух реверсивных счетчиков, на выхода которых при этом непрерывно формируются коды, пропорциональные синфазной и квадратурной составляющим основной гармоники тока. 1 з.п. ф-лы, 3 ил, держит первичный преобразователь напряжения 1, первый и второй функциональные преобразователи 2 и 3, первичный пре()бразователь тока 4, фильтр нижних частот 5, блок задержки 6, первый и второй блоки перемножения 7 и 8, вычитающее устройство 9, умножитель частоты 10, пороговый элемент 11, первый и второй пребразователи напряжение-частота 12 и 13, первый и второй реверсивные счетчики 14 и 15.
В преобразователе составляющих основной гармоники переменного тока в код последовательно соединены первичный преобразователь напряжения 1, фильтр нижних частот 5 и умножитель частоты 10, выход которого подключен к объединенным информационным входам первого 2 и второго 3 функциональных преобразователей и синхронизирующим входам первого 12 и второго 13 преобразователей напряжение1837394 частота, пороговый элемент 11 включен между выходом первичного преобразователя напряжения 1 и объединенными управляющими входами первого 2 и второго 3 функциональных преобразователей, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого 7 и второго 8 блоков перемножения, вторые входы которых объединены и подключены к выходу вычита: ющего устройства 9, а выходы подключены к информационным входам соответственно первого 12 и второго 13 преобразователей напряжение-частота, первые и вторые входы которых подключены соответственно к суммирующему и вычита.::щему входам первого 14 и второго 15 реверсивных счетчиков, выходы которых служат выходами устройства, выход первичного преобразователя тока
4 подключен к информационному входу блока задержки 6 и суммирующему входу вычитающего устройства 9, вычитающий вход которого соединен с выходом блока задержки 6, синхронизирующий вход которого соединен с выходом умножителя частоты 10.
Блок задержки содержит компаратор
16: регистр последовательного приюближения 17; первый и второй цифроаналоговые преобразователи 18 и 23; счетчик 19; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 20; формирователь коротких импульсов 21; буферный регистр 22. В блоке задержки первый вход компаратора 16 служит информационным входом, второй вход соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя 18, а выход подключен к 0-входу регистра последовательного приближения 17, С-вход которого служит синхронизирующим входом блока, а выход подключен к входу первого цифроаналогового преобразователя 18 и шине данных оперативного запоминающего устройства
20, шина адреса которого соединена с выходом счетчика 19, а выход подлключен к входу буферного регистра 22, С-вход которого соединен с выходом формирователя коротких импульсов 21, а выход соединен с входом второго цифроаналогового преобразователя 23, выход которого служит выходом блока, S-вход регистра последовательного приближения 17, WR-вход ОЗУ 20, С-вход счетчика 19 и вход формирователя коротких импульсов 21 объединены и подключены к SS-входу регистра последовательного приближения 17.
Преобразователь составляющих основной гармоники переменного тока в код работает следующим образом, Напряжение питающей сети
u =. U>gsIn ол, где U — амплитуда; ш- частота, поступает на вход первичного преобразователя напряжения 1, а с его выхода подается на вход порогового элемента 11 и фильтра нижних частот 5. При этом выходной сигнал порогового элемента 11 имеет вид последовательности прямоугольных импульсов
Ue при о1 > 0 (О < t Д /2);
Ц11 =
0 при и1 0 (Т/2 < t < Т), где U< = const — напряжение, соответствующее уровню логической единицы.
Назначение фильтра нижних частот 5 состоит в подавлении высоко-частотных шу"5 мов, присутствующих, как правило, в спектре напряжения электрической сети.
Параметры фильтра нижних частот 5 выбираются такими, чтобы он не вносил фазового сдвига для основной гармоники
20 напряжения; Таким образом, выходной сигнал фильтра нижних частот 5 представляет собой синусоидальное напряжение:
05 = 0м5$1п 6М.
Сигнал с выхода фильтра нижних частот
5 поступает на вход умножителя частоты на и 10, на выходе которого формируются импульсы 010, частота которых пропорциональная частоте питающей сети
30 и
Т (1) где n — коэффициент передачи умножителя частоты 10, и 2000/
Т = 1/f — период сети.
Импульсы и1р с выхода умножителя час35 таты поступают на информационные входы первого 2 и второго 3 функциональных преобразователей и синхронизирующие входы блока задержки 6 и первого 12 и второго 13 преобразователей напряжение-частота.
Измеряемый несинусоидальный ток
l(t) = : l m=1 где m — номер гармоники; 45 lMm(t) — амплитуда m-ой гармоники тока; P m — фазовый сдвиг m-ой гармоники тока преобразуется с помощью первичного преобразователя тока 4 в напряжение 50 щ(1) = К4(1), где К4 — коэффициент передачи первичного преобразователя тока 4, Сигнал щ(1) поступает на вход блока задержки 6, который задерживает напряже55 ние vq(t) на время. равное периоду Т измеряемого тока: u5(t) = u<(t — T) = К1 ; IMm(t — T)Sln(m Cr(tm=1 Т) P m). 18 раз па вы ва пр ди ко ко со ци 3 ва ло ра Щ и1 (t ци н и ст зо ко в с Щ в П У г в м ч с е Сигналы с выходов первичного преобвателя тока.4 и блока задержки б постут соответственно на суммирующий и итающий входы вычитающего устройст, на выходе которого формируется нажение Ug(t) иа(!) 06(t) K4(l(t) l(t T)) ,0, (IMm(t) — IMm(t — T)jSIn(ment - V в). (3). m = 1(Сигнал ид(!) поступает на вторые объеенные входы первого 7 и второго 8 блоперемножения, на первых входах орых действуют напряжения с выходов тветственно первого 2 и второго 3 функнальных преобразователей. Функциональные преобразователи 2 и редставляют собой цифровые формироели опорных квазигармонических сигнаsinx и cosx, Их работа происходит следующим обом. В моменты времени, соответствуюе — îëîæèòåëüíûì фронтам импульсов, т.е. в моменты, соответствующие началу О) каждого периода напряжения, функнальныке преобразователи 2 и 3 уставливаются выходным сигналом огового элемента 11 и!! в начальное сояние. Далее функциональные преобраатели 2 и 3 выполняют преобразование ичества импульсов и1о, поступающих с хода умножителя частоты 1О на их инфорционные входы в кваэигармонические гналы = Uås1n on (4) 3 = Uecoso) t. (5) В результате опорные сигналы (4) и (5) ого синхронизированы с напряжением и ц, а их частота совпадает с частотой ти f. Преобразование синфазной составляюй основной гармоники переменного тока од осуществляется следующим образом. рвый блок перемножения 7 выполняет ножение сигнала ug(t) на опорный квазирмонический сигнал иг. В результате на ходе первого блока перемножения 7 форруется сигнал U7 = K4K7(l(t) i(t — T)3UeS in@) t, (б) е К7- коэффициент передачи первого блоперемножения 7. Сигнал и7 поступает на вход первого еобразователя напряжение-частота 12 и еобразуется им в частоту 1!г следования пульсов. Преобразователь напряжение-частота представляет собой устройство синхронго типа. Среднее значение его выходной таты пропорционально входному напряНИЮ У7 И ЧаСтатЕ тактсвыХ имПульСОВ !1!О, 37394 6 М поступающих с выхода умножителя частоты 10: 11г - К1г11ои7(!) при U7(t) > 0; 1г = 5 1г,- K12f!OU7(t) при и7(!) <О, где К1г — коэффициент передачи первого преобразователя напряжение-частота 12. Если напряжение U7(t) >О; то выходные импульсы первого преобразователя напря10 жение-частота 12 формируются на его первом выходе (+), если и7(т) < О, то на втором выходе (-.). Импульсы с первого и второго выходов первого преобразователя напряжение-частота 12 поступают соответствен15 но на суммирующий и вычитающий входы первого реверсивного счетчика 14. В результате в момент времени t, t > Т в первом. реверсивном счетчике записывается число рр N(a = Z(uu — oats-5 ((ufio ой)рс,(7) ! --Т где и17 и и1г - импульсы соответственно на первом и втором выходах первого преобразователя напряжение-частота 12, С учетом (1), (2), (3) и (6) выражение (7) имеет вид: И!а= К1г — f K4K7slnN t, (iMm(t) вЂ”Т t — Т m=1 IMm(t T))Ue х s I n((non V m) cl t 30 =К4К7К1гп Зе1м1соэф 1 = Keф1м1сов V1, (8) 2 где 1» — среднее на скользящем интервале . времени значение амплитуды основной гармоники, К,ф = — K4K7KnnUe — КОЭффИцИЕНт ПЕРЕ1 2 дачи преобразователя по каналу синфазной составляющей. Таким образом на выходе первого реверсивного счетчика 14 непрерывно форми40 руется код(8), пропорциональный среднему значению синфаэной составляющей основной гармоники за период измеряемого тока. При этом знак записанного числа опереляется значением старшего разряда счетчика 45 14: положительному значению соответствует О, отрицательному 1. Преобразование квадратурной составляющей основной гармоники переменного тока в код осуществляется следующим обра50 зом. Второй блок перемножения 8 выполняет умножение сигнала ид(! на опорной, квазигармонический сигнал U3. В результа"те на выходе второго блока перемножения 8 формируется сигнал, us(tj = K4Ks(1(t) — l(i — T)jUeñ0S on, (9) где Кв — коэффициент передачи второго блока перемножения 8. Сигнал u8(t) поступает на вход второго преобразователя напряжение-частота 13 и 1837394 преобразуется им в частоту следования импульсов 113 = K13f10U8(t) при U8(t) > О; f13 = f13 = K13f10 U8(t) при U8(l) О, 5 где К 13 — коэффициент передачи второго преобразователя напряжение-частота. Импульсы с первого (+) и второго (-) выходов второго преобразователя напряжение-частота 13 поступают соответственно 10 на суммирующий и вычитающий входы второго реверсивного счетчика 15. В результате в момент времени t, t > Т, во втором реверсивном счетчике записывается число.t N15 = X(U13 — U13) = J K13f10U8(t)dt, (10) t — Т где и13, щз — импульсы соответственно на первом и втором выходах первого преобразователя напряжение-частота 13, С учетом (1), (2), (3) и (9) выражение (10) имеет вид: п t 00 N15 = K13 —,1 K4K8COS®С g (lcm(t) lcm(t t — Т m— - T — Z))u. »i<(ол -V )dt = 25 =К4КВК13п!м10е81пф 1 = Ккв1м181п %, (1"), 1 ГДЕ Ккв = — К4К8К13П0е — КОЭффИЦИЕНт ПЕРЕдачи преобразователя по каналу квадратур- 30 ной составляющей, Таким образом на выходе второго реверсивного счетчика 15 непрерывно формируется код (11), пропорциональный среднему значению квадратурной составля- 35 ющей основной гармоники переменного тока. Знак записанного числа определяются значением старшего разряда второго реверсивного счетчика 15: положительному значению соответствует О, отрицательному 40 1. л Блок задержки работает следующим образом, Компаратор 16, регистр последовательных приближений 17 и первый цифроаналоговый преобразователь 18 45 представляют собой аналого-цифровой преобразователь последовательных приближений с помощью которого входной аналоговый сигнал и4 преобразуется в код М17 на вь1ходе регистра последовательных приближений 17. Код с выхода регистра 17 записывается в ОЗУ 20. Запись стробируется сигналом "конец преобразования" (SS) регистра 17. Адрес ОЗУ 20 формируется двоичным счетчиком 19, на С-вход которого 55 поступает сигнал "конец преобразования" (SS) с выхода регистра 17. После записи нового значения кода в ОЗУ 20 происходит приращение адреса и запись в буферный регистр 22 по стробирующему сигналу с формирователя коротких импульсов из ОЗУ 20 кода, записанного 2 - — 1 тактов ранее N (N разрядность счетчика адреса 19). Код с выхода буферного регистра 22 транслируется на второй цифроаналоговый преобразователь 23, на выходе которого формируется аналоговый сигнал, задержанный относительно входного на 2 тактов. Длительность задержки с учетом (1) определяет ся соотношением 2 К+1 Т где К вЂ” разрядность кода на выходе регистра 17. Если параметры устройства выбрать та-. ким образом, что 2 к+11 и то в соответствии с выражением (12) величина задержки Тз строго равна периоду сети Т, = Т, и не зависит от изменений частоты сети. В результате преобразование синфаэной и квадратурной составляющих основной гармоники переменного тока в код в предлагаемом устройстве осуществляется цифровым интегрированием произведения сигнала, пропорционального разности i(t)— l(t — Т), на опорные синусоидальный и косинусоидальный сигналы на скользящем интервале усреднения, равном периоду измеряемого тока, При этом устройство имеет повышенную точность при изменениях частоты измеряемого тока за счет поддержания интервала интегрирования и величины задержки равными периоду тока, Формула изобретения Преобразователь составляющих основной гармоники переменного тока в код, со Э держащий последовательно соединенные первичный преобразователь напряжения, фильтр нижних частот и умножитель частоты, выход которого подключен к информационным входам первого и второго функциональных преобразователей и синхронизирующим входам первого и второго преобразователей напряжение-частота, пороговый элемент, включенный между выходом первичного преобразователя напряжения и управляющими входами первого и второго функциональных преобразователей, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго блоков перемножения. выходы которых соединены с информационными входами первого и второго преобразователей напряжение-частота, первичный преоб1837394 ви с в о а с д эователь тока, вход которого и вход перчного преобразователя напряжения являтся соответственно первой и второй одными шинами, первый и второй ревер- . вные счетчики, выходы которых являются 5 ответственно первой и второй выходныи шинами, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с елью повышения точности при измененичастоты измеряемого сигнала, в него ввеены блок задержки и вычитающее 10 тройство, а первый и второй преобразовали напряжение-частота выполнены двухолярными, информационный вход. блока держки подключен к выходу первичного реобразователя тока, синхронизирующий 15 од — соединен с выходом умножителя чаоты, а выход подключен к вычитающему оду вычитающего устройства, суммируюий вход которого подключен к выходу перчного преобразователя тока, а выход 20 единен со вторыми входами первого и рого "блоков перемножения, первые и орые выходы первого и второго преобравателей напряжение-частота подключены ответственно к суммирующему и вычита- 25 щему входам первого и второго реверсивых счетчиков. 2. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а юи и с я тем, что блок задержки выполнен а регистре последовательного приближе- ЗО ния, оперативном запоминающем устройстве, счетчике, буферном регистре, формирователе коротких импульсов, первом и втором цифроаналоговом преобразователе и компараторе, первый вход которого является информационным входом блока, второй вход соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя а выход подключен к информационному входу регистра последовательного приближения, синхронизирующий вход которого является синхронизирующим входом блока, а выходы подключены к входам nepeoro цифроаиалоl.oBolQ преобразователя и входам данных оперативного запоминающего устройства, входы адреса которого соединены с выходами счетчика, а выходы подключены к информационным входам буферного регистра, синхронизирующий вход которого подключен к выходу формирователя коротких импульсов, а выходы соединены со входами второго цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом блока, вход записи регистра последовательного приближения, вход записи оперативного запоминающего устройства, счетный вход счетчика и вход формирователя коротких импульсов объединены и подключены к выходу конец преобразования регистра последовательного приближения. Фиг. Т 1837394 Фиг. 2 О и а T Р7 Редактор Заказ 2871 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва. Ж-35, Ра шская наб.. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Ajg +is Т РТ И,=Ll е Й/2.,5 Составитель С,Малафеев Техред М.Моргентал Корректор М.Куль
