Устройство измерения ортогональных составляющих напряжения

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике для выделения и измерения ортогональных составляющих несинусоидального напряжения. Сущность изобретения: устройство измерения ортогональных составляющих напряжения содержит генератор 1 импульсов, аналого-цифровой преобразователь 2, счетчик 3 импульсов, демультиплексор 4, два накапливающих сумматора 5, 6, элемент 7 задержки, шесть умножителей 8 - 11, 14, 15, два сумматора 12, 13, два регистра 16, 17. 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при измерительном преобразовании реактивной мощности для определения распределенной реактивной составляющей длины линии электрической сети при коротких замыканиях в ней и в устройствах релейной защиты для определения ортогональных составляющих напряжения (тока).

Устройство измерения ортогональных составляющих напряжения можно реализовать на основе известного способа путем измерения разности двух соседних дискретизованных значений напряжения. Недостатком устройства является наличие погрешности измерения, обусловленной приближенным численным дифференцированием синусоидального напряжения, тем большей, чем больший интервал времени между двумя соседними дискретизованными значениями напряжения. Погрешность измерения увеличивается при несинусоидальности напряжения, т. е. при наличии высших гармоник в сигнале напряжения.

Целью изобретения является повышение точности измерения ортогональных составляющих первой гармоники несинусоидального напряжения.

Цель достигается тем, что в устройство измерения ортогональных составляющих напряжения, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП), сумматор, два умножителя, два регистра, генератор импульсов (ГИ), элемент задержки, введены счетчик импульсов, демультиплексор (DMS), два интегратора (накапливающих сумматора), четыре умножителя, причем выход ГИ подключен к синхровходу АЦП, входу счетчика импульсов и информационному входу DMS, выходы счетчика импульсов подключены к адресным входам DMS, выход АЦП подключен к информационным входам накапливающих сумматоров, в накапливающих сумматорах происходит суммирование их входных сигналов за два интервала интегрирования Т_и, сдвинутых на интервал Т₁, а к их синхровходам подключены выходы DMS, выход 2 DMS подключен к элементу задержки, выход которого подключен к входам сброса накапливающих сумматоров, выход первого накапливающего сумматора подключен к входам первого и второго умножителей их входного сигнала на постоянные коэффициенты, а второго накапливающего сумматора - к входам третьего и четвертого умножителей их входного сигнала на постоянные коэффициенты, выходы первого и третьего умножителей подключены к входам первого сумматора, а выходы второго и четвертого умножителей - к входам второго сумматора, выходы первого и второго сумматоров подключены к входам пятого и шестого умножителей соответственно, выходы пятого и шестого умножителей подключены к входам первого и второго регистров, другие входы которых подключены к выходу элемента задержки.

Как показали проведенные расчеты, предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения ортогональных составляющих напряжения.

В источниках информации не обнаружены указанные отличительные признаки. Следовательно, предложенное решение отвечает критерию существенности отличий.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего измерение ортогональных составляющих напряжения; на фиг. 2 приведен график напряжения как сумма мгновенных значений напряжения первой U(ω) и третьей U(3ω) гармоник.

Предлагаемое устройство состоит из ГИ1, АЦП2, счетчика 3 импульсов, DMS4, накапливающих сумматоров 5, 6, элемента 7 задержки, умножителей 8-11, 14, 15, сумматоров 12, 13, регистров 16, 17, соединенных между собой.

Устройство работает следующим образом.

С выхода ГИ1 тактовые импульсы поступают на синхровход АЦП2, вход счетчика 3 импульсов и информационный вход DMS4. На информационный вход АЦП1 поступает напряжение U, и на его выходе выделяются цифровые значения U(nT₁) этого напряжения с интервалом дискретизации Т, поступающие на информационные входы накапливающих сумматоров. Тактовые импульсы, поступающие с выхода ГИ1 в интервалы времени t₁-(T_и+Т₁) и (Т₁+t₁)-(T_и+Т₁+t₁) (фиг. 2) на информационный вход DMS4, проходят на его первый и второй выходы соответственно в зависимости от адресного сигнала на адресном входе DMS4, поступающего с выхода счетчика 3 импульсов. Сигналы с первого и второго выходов DMS4 поступают на синхровходы накапливающих сумматоров, которые позволяют записать сигналы, поступающие с выхода АЦП2, в накапливающих сумматорах 5, 6 соответственно. Интегральные значения сигналов U_1и= U(nT); U_2и= U(nT), где r= T_и/T - четный; r₁= T₁/T, поступают с выходов накапливающих сумматоров 5, 6 на входы умножителей 8, 9 и 10, 11 соответственно. На выходах умножителей 8, 9, 10, 11 с масштабными коэффициентами k₁= ctg ωT₁+ctg( ωT_и/2); k₂= 1-ctg( ω T_и/2)˙ctg ω T₁ ; k₃= -1/sin ω T₁; k₄= ctg(ωT_и/2)/sin ω T₁ (ω - частота промышленного тока) выделяются сигналы k₁U_1и, k₂U_1и, k₃U_2и, k₄U_2и соответственно. Сигналы с выходов умножителей 8, 10 и 9, 11 поступают на входы сумматоров 12 и 13, с выходов которых напряжения k₁U_1и+k₃U_2и и k₂U_1и+k₄U_2и поступают на входы умножителей 14 и 15 соответственно. С выходов умножителей 14, 15 с масштабным коэффициентом k₅= = 0,5 ωT_и напряжения U_msin ϕ_и= k₅(k₁U_1и + k₃U_2и); U_mcos ϕ_и= k₅(k₁U_1и+k₃U_2и) поступают на входы регистров 16, 17 соответственно. На выходе элемента 7 задержки формируется импульсный сигнал, задержанный относительно последнего импульса на втором выходе DMS4, причем значение времени задержки определяется временем протекания переходных процессов в умножителях 8-11, 14, 15, сумматорах 12, 13. Выходной сигнал элемента 7 задержки записывает информацию U_msin ϕ_и и U_mcos ϕ_1и в регистры 16 и 17 и одновременно сбрасывает значения, записанные в накапливающих сумматорах 5, 6. Процесс повторяется.

Принцип действия предлагаемого устройства основан на решении системы уравнений Решение системы (1) из двух уравнений с двумя неизвестными в виде ортогональных составляющих имеет вид U_msinϕ_и= k₅(k₁U_1и+k₃U_2и); U_mcosϕ_и= k₅(k₂U_1и+k₄U_2и), (2) где k₁= ctgωT₁+ctg(ωT_и/2); k₂= 1-ctg(ωT_и/2)˙ctgωT₁; k₃= -1/sinωT₁; k₄= ctg(ωT_и/2)/sinωT₁; k₅= 0,5ωT_и.

Очевидно, что выражение (2), где использованы корни системы уравнений (1), имеет место практически при любых значениях интервалов времени Т_и и Т₁. Достоверность соотношения (2) подтверждена расчетами на программируемом микрокалькуляторе при различных значениях интервалов Т, Т₁, Т_и, начальной фазы. При кратных значениях интервала интегрирования Т_ипериоду высших гармонических составляющих несинусоидального напряжения ортогональные составляющие синусоидального напряжения согласно формулам (2) выделяются с высокой точностью.

В таблице приведены результаты расчета ортогональных составляющих синусоидального напряжения U₁= U_msin(ωt+ϕ_и) (N1 таблицы) по замеренным значени- ям несинусоидального напряжения U= U_msin ( ωt+ϕ_и)+U_mlsin(lωt+ϕ_иl) (N 2, 3 таблицы), где l - номер гармоники, равный 3 и 4. Расчеты проведены с использованием программируемого микрокалькулятора МК-61. Истинные U_msin(ϕ_и+ωТ/2)_ист; U_mcos (ϕ_и+ω Т/2)_ист и расчетные U_msin(ϕ_и+ωТ/2); U_mlcos( ϕ_и+ωT/2) значения ортогональных составляющих взяты для аргумента ϕ_и+ω Т/2, так как программа была составлена так, чтобы численное интегрирование производилось, начиная с этого значения фазы. Как следует из таблицы, ортогональные составляющие рассчи- тываются с достаточно высокой точностью.

Одновременно, как показывают расчеты, при использовании известного метода погрешности измерений превышают 100% . (56) Яценко А. А. Перспективы и проблемы разработки многофункциональных быстродействующих устройств повышения качества электрической энергии. Электромеханика (Изв. высших учебных заведений), 1983, N 10, с. 101-109.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ОРТОГОНАЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЯ , содеpжащее аналого-цифpовой пpеобpазователь, пеpвый сумматоp, два умножителя, два pегистpа, генеpатоp импульсов и элемент задеpжки, пpичем инфоpмационный вход аналого-цифpового пpеобpазователя соединен с входной клеммой устpойства, а его синхpовход соединен с выходом генеpатоpа импульсов, выход пеpвого сумматоpа соединен с входом пеpвого умножителя, выходы пеpвого и втоpого умножителей соединены с пеpвыми входами пеpвого и втоpого pегистpов соответственно, втоpые входы котоpых соединены с выходом элемента задеpжки, выходы пеpвого и втоpого pегистpов соединены с выходными клеммами устpойства, отличающееся тем, что в него введены счетчик импульсов, демультиплексоp, два накапливающих сумматоpа, четыpе умножителя, втоpой сумматоp, пpичем выход генеpатоpа импульсов соединен с входом счетчика импульсов и инфоpмационным входом демультиплексоpа, выходы счетчика импульсов соединены с адpесными входами демультиплексоpа, выход аналого-цифpового пpеобpазователя соединен с инфоpмационными входами накапливающих сумматоpов, синхpовходы котоpых соединены с пеpвым и втоpым выходами демультиплексоpа соответственно, втоpой выход демультиплексоpа соединен с входом элемента задеpжки, выход котоpого соединен с входами сбpоса накапливающих сумматоpов, выход пеpвого накапливающего сумматоpа соединен с входами тpетьего и четвеpтого умножителей, а выход втоpого накапливающего сумматоpа соединен с входами пятого и шестого умножителей, выходы тpетьего и пятого умножителей соединены с входами пеpвого сумматоpа, а выходы четвеpтого и шестого умножителей соединены с входами втоpого сумматоpа, выход втоpого сумматоpа соединен с входом втоpого умножителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3