Способ измерения активной и реактивной составляющих мощности в цепях переменного тока с установившимся синусоидальным режимом

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Способ включает измерения мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи, выполняемые с временным интервалом, соответствующим фиксированному углу фазового сдвига, вычисление составляющих мощности по результатам измерений, при этом выполняют два измерения мгновенных значений тока и напряжения с временным интервалом, соответствующим углу фазового сдвига 90°, в каждом из измерений значения тока и напряжения измеряют одновременно, а составляющие мощности вычисляют по выражениям, приведенным в тексте описания. 2 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения активной и реактивной составляющих мощности в цепях переменного тока с установившимся синусоидальным режимом.

Известен способ определения активной и реактивной мощности (1), заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения, формируют сигналы, ортогональные измеренным, нормируют их, перемножают напряжение с ортогональной копией тока, ток с ортогональной копией напряжения, ток с напряжением, и их ортогональные копии, которые затем суммируют и вычитают с последующим усреднением за период основной частоты, а затем вычисляют составляющие мощности. Однако данный способ обладает низким быстродействием, обусловленным тем, что время измерения составляет не менее периода входного сигнала.

Известен способ измерения активной и реактивной мощности (2), заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения, их перемножают и усредняют результаты перемножения за период, перемноженные сигналы разделяют по знаку и усредняют отдельно, а затем вычисляют составляющие мощности. Однако данный способ обладает низкой точностью, обусловленной необходимостью выполнения операции перемножения в аналоговой форме, и низким быстродействием, обусловленным тем, что время измерения составляет не менее периода входного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измерения активной и реактивной мощности (3), заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения в n-точках периода, причем мгновенные значения тока и напряжения измеряют со сдвигом по фазе на углы β₁ и β₂, затем эти значения перемножают для каждого из углов β₁ и β₂, суммируют и по полученным числовым эквивалента вычисляют составляющие мощности. Недостатком данного способа является низкое быстродействие, обусловленное тем, что наименьшее время измерения составляет не менее 2/3 периода входного сигнала.

Цель изобретения повышение быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения активной и реактивной составляющих мощности в цепях переменного тока с установившимся синусоидальным режимом, включающему измерения мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи, выполняемые с временным интервалом, соответствующим фиксированному углу фазового сдвига, вычисление составляющих мощности по результатам измерений, выполняют два измерения мгновенных значений тока и напряжения с временным интервалом, соответствующим углу фазового сдвига 90^о, в первом и втором измерениях значения тока и напряжения измеряют одновременно, а составляющие мощности вычисляют по выражениям p ; Q , где P, Q соответственно активная и реактивная составляющие мощности; I₁, I₂ мгновенные значения тока соответственно в первом и втором измерениях; U₁, U₂ мгновенные значения напряжения соответственно в первом и втором измерениях.

На фиг. 1 представлены временные диаграммы, поясняющие способ; на фиг. 2 схема устройства, реализующего данный способ.

Сущность способа состоит в определении активной и реактивной составляющих мощности по двум мгновенным значениям тока и напряжения, первые из которых одновременно измеряют в произвольный момент времени, а вторые через временной интервал, соответствующий углу фазового сдвига 90^о, согласно следующим формулам P ; (1) P , (2) где I₁, I₂ мгновенные значения тока соответственно в первом и втором измерениях; U₁, U₂ мгновенные значения напряжения соответственно в первом и втором измерениях.

Если сигналы напряжения и тока в исследуемой цепи содержат только первые гармоники, то U₁ U_m sin α₁; U₂ U_m sin (α₁ + 90^o); I₁ I_m sin α₂; I₂ I_m sin (α₂ + 90^o), где α₁,α₂ начальные фазы сигналов напряжения и тока.

При измерении активной составляющей мощности выражение (1) принимает вид
P sinα₁sinα₂+ sin(α₁+ 90°)sin(α₂+ 90°).

Учитывая, что sin (α₁ + 90^o)=cos α₁; sin (α₂ + 90^o) cos α₂, получим
P (sinα₁sinα₂+ cosα₁cosα₂).

Так как, sin α₁ sin α₂ + cos α₁ cos α₂ cos (α₁-α₂)=cosϕ где ϕ угол сдвига фаз между напряжением и током, то
P cosϕ.

Отсюда следует, что выражение (1) соответствует значению активной составляющей мощности.

При измерении реактивной составляющей мощности выражение (2) принимает вид
Q sinα₁sin(α₂+ 90°)- sin(α₁+ 90°)sinα₂=
(sinα₁cosα₂- cosα₁sinα₂).

Так как sin α₁ cos α₂ cos α₁ sin α₂ sin (α₁-α₂)=sinϕ, то Q sinϕ.

Отсюда следует, что выражение (2) соответствует значению реактивной составляющей мощности.

Устройство, реализующее данный способ, содержит первичные преобразователи 1, 2 напряжения и тока, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 3 и 4, мультиплексор 5, вычислительный блок 6, блок 7 управления, генератор 8 опорной частоты, ключ 9, реверсивный счетчик 10, причем шина напряжения U(t) соединена с входом первичного преобразователя 1 напряжения, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 3, выходы разрядов которого соединены с первой группой входов мультиплексора 5, вторая группа входов которого соединена с выходами разрядов аналого-цифрового преобразователя 4, а выходы соединены с информационными входами вычислительного блока 6, управляющий вход которого соединен в первым выходом блока 7 управления, второй выход которого соединен с управляющим входом мультиплексора 5, а третий выход с запускающими входами аналого-цифровых преобразователей 3 и 4, выход генератора 8 опорной частоты соединен с первым входом блока 7 управления и входом ключа 9, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока 7 управления, а выход синхровходом обратного счета счетчика 10, выход заема которого соединен с вторым входом блока 7 управления, третий вход которого соединен с входом предварительной установки реверсивного счетчика 10, входом начальной установки вычислительного блока 6 и шиной "Пуск" устройства, шина тока i(t) соединена с входом первичного преобразователя тока 2, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 4.

Первичные преобразователи напряжения 1 и тока 2 осуществляют гальваническую развязку и согласование уровней сигналов исследуемых цепей и измерительной части устройства.

Устройство работает следующим образом. После подачи импульса на шину "Пуск" устройства в реверсивный счетчик 10 с информационных входов записывается код N_t f_o Δ t, где f_o частота импульсов на выходе генератора 8 опорной частоты, Δt T/4 период входного сигнала, ω угловая частота. Одновременно вычислительный блок 6 переходит к началу выполнения программы, мультиплексор 5 подключает выходы АЦП 3 к информационным входам вычислительного блока 6.

По команде с блока 7 управления в момент времени t₁ запускаются АЦП 3 и АЦП 4. Величина напряжения на входе АЦП3 в это время пропорциональна U₁= U_m sin α₁, а величина напряжения на входе АЦП 4 пропорциональна току I₁=I_msin α₂. Одновременно замыкается ключ 9 и импульсы с генератора 8 опорной частоты начинают поступать на вход обратного счета реверсивного счетчика 10.

Блок 7 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 6. Код N_1v, пропорциональный напряжению U₁, записывается в вычислительный блок 6.

После этого по команде с блока 7 управления мультиплексор 5 подключает выходы АЦП 4 к информационным входам вычислительного блока 6. Блок 7 формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 6. Код N_1i, пропорциональный току I₁, записывается в вычислительный блок 6.

По команде с блока 7 управления мультиплексор 5 подключает выходы АЦП3 к информационным входам вычислительного блока 6.

В момент времени t₂, когда реверсивный счетчик 10 обнулится, на выходе заема счетчика 10 появится импульс, который поступает в блок 7 управления. По команде с блока 7 управления запускаются АЦП3 и АЦП4. Величина напряжения на входе АЦП3 в это время пропорциональна U₂ U_msin(α₁+ωΔ t), а величина напряжения на входе АЦП4 пропорциональна I₂= I_msin (α₂+ωΔ t).

Так как Δt=π/2ω то U₂ U_msin (α₁ + 90^o), а I₂= I_m sin (α₂+ 90^o).

На выходе блока 7 управления формируется импульс запpоса на ввод и код N_2u с выходов АЦП3, пропорциональный напряжению U₂, записывается в вычислительный блок 6
После этого по команде с блока 7 управления мультиплексор 5 подключает выходы АЦП4 к информационным входам вычислительного блока 6. Блок 7 управления формирует сигнал запроса на ввод и код N₂₁ и с выходов АЦП4,пропорциональный току I₂, записывается в вычислительный блок 6.

В вычислительном блоке 6 выполняются вычисления согласно выражениям
N_p= N_Q=
Выходные коды N_p и N_Q пропорциональны соответственно активной и реактивной составляющим мощности.

В качестве АЦП3 и АЦП4 могут быть использованы аналого-цифровые преобразователи параллельного типа с выходными регистрами памяти.

В качестве вычислительного блока 6 может быть использована микро-ЭВМ или специальное программно-управляемое вычислительное устройство.

Данный способ обеспечивает более высокое быстродействие, так как время измерения составляет 1/4 периода входного сигнала.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ МОЩНОСТИ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С УСТАНОВИВШИМСЯ СИНУСОИДАЛЬНЫМ РЕЖИМОМ, включающий измерения мгновенных значений тока и напряжения в исследуемой цепи, выполняемые с временным интервалом, соответствующими фиксированному углу фазового сдвига, вычисление составляющих мощности по результатам измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, выполняют два измерения мгновенных значений тока и напряжения с временным интервалом, соответствующим углу фазового сдвига 90^o, в первом и втором измерениях значения тока и напряжения измеряют одновременно, а составляющие мощности вычисляют по выражениям


где P и Q соответственно активная и реактивная составляющие мощности;
I₁ и I₂ мгновенные значения тока соответственно в первом и втором измерениях;
U₁ и U₂ мгновенные значения напряжения соответственно в первом и втором измерениях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2