Измерительный преобразователь гармонических составляющих тока и напряжения

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и позволяет расширить функциональные возможности и повысить точность измерения высших гармонических составляющих тока и напряжения. Измеряемое напряжение фильтруется и по отфильтрованному сигналу с помощью умножителя частоты 13, делителя частоты 19 и формирователей импульсов записи 12 и сброса 14 формируются тактовые импульсы и интервал измерения, равный периоду основной гармоники, а с помощью первого 6 и второго 7 функциональных преобразователей - опорные синусоидальный и косинусоидальный сигналы, имеющие частоту измеряемой гармоники. Измерение ортогональных составляющих гармоник тока и напряжения осуществляется в базисе опорных гармонических сигналов соответствующей частоты путем цифрового интегрирования произведений производных тока и напряжения на опорные синусоидальный и косинусоидальный сигналы с помощью четырех реверсивных счетчиков 30-33, содержимое которых в конце каждого периода измерения переписывается в буферные регистры 34-37, из которых вводится в микроЭВМ 38. Вычисление значений гармоник тока и напряжения, угла сдвига фаз между ними, активной, реактивной и полной мощностей производится с помощью микроЭВМ. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в информационно-измерительных системах анализа электромагнитной совместимости оборудования, а также в автоматизированных системах для научных исследований электроэнергетических процессов в электротехнических устройствах и комплексах с полупроводниковыми преобразователями.

Известны измерительные преобразователи гармонических составляющих тока и напряжения, содержащие первичный преобразователь напряжения, вход которого соединен с потенциальной входной шиной устройства, первичный преобразователь тока, вход которого соединен с токовой входной шиной устройства, последовательно соединенные фильтр нижних частот, умножитель частоты и делитель частоты, вход фильтра нижних частот соединен с первичным преобразователем напряжения, выход делителя частоты подключен к объединенным входам первого и второго Т-триггеров, информационные входы функциональных преобразователей вида |sinx| и |cosx| объединены и соединены с выходом умножителя частоты, первый и второй блоки перемножения, первые входы которых объединены и подключены к первому преобразователю тока, вторые входы подключены соответственно к выходам функциональных преобразователей вида _{2sinx| и |cosx|} а выходы соединены соответственно с входами первого и второго преобразователей напряжение-частота синхронного типа, управляющие входы которых объединены и подключены к выходу умножителя частоты, первый, второй, третий и четвертый двухвходовые логические элементы И, первые входы первого и второго двухвходовых логических элементов И подключены соответственно к прямому и инверсному выходам первого Т-триггера, а вторые объединены и подключены к выходу первого преобразователя напряжение-частота синхронного типа, первые входы третьего и четвертого двухвходовых логических элементов И подключены соответственно к прямому и инверсному выходам второго Т-триггера, а вторые входы объединены и подключены к выходу второго преобразователя напряжение-частота синхронного типа, первый и второй реверсивные счетчики, суммирующие входы которых соединены соответственно с выходами первого и третьего двухвходовых логических элементов И, вычитающие входы подключены к выходам соответственно второго и четвертого двухвходовых логических элементов И, последовательно соединены формирователь импульсов записи и формирователь импульсов сброса, вход формирователя импульсов записи подключен к прямому выходу первого Т-триггера, выход формирователя импульсов сброса подключен к объединенным R-входам первого и второго реверсивных счетчиков, первого и второго буферных регистров, информационные входы которых подключены к выходам соответственно первого и второго реверсивных счетчиков, синхровходы подключены к выходу формирователя импульсов записи, а выходы являются выходами устройства, управляющие входы функциональных преобразователей вида _{2sinx| и |cosx|} объединены и подключены через пороговый элемент к выходу первичного преобразователя напряжения (патент РФ N 1485141, 1989, кл. G 01 R 19/06; Авт.св. СССР N 1397843, 1986, кл. G 01 R 19/06).

В таких устройствах осуществляется измерение синфазной и квадратурной составляющих основной гармоники тока цифровым интегрированием произведения измеряемого тока на квазигармонический сигнал 2sinx| для синфазной составляющей и цифровым интегрированием произведения измеряемого тока на квазигармонический сигнал 2cosx| для квадратурной составляющей. При этом усреднение производится за период измеряемого тока, а формирование опорных квазигармонических сигналов выполняется с помощью функциональных преобразователей вида 2sinx| и |cosx|, управление которыми производится выходными импульсами порогового элемента, подключенного к первичному преобразователю напряжения. В известном измерительном преобразователе осуществляется только одновременное измерение синфазной и квадратурной составляющих одной гармоники тока, номер которой определяется жестко программами, хранящимися в ПЗУ. При этом невозможно измерение нескольких гармоник тока, гармоник напряжения и фазовых сдвигов гармоник тока и напряжения. Кроме того, поскольку в системах электроснабжения амплитуды гармоник уменьшаются с ростом частоты, то при измерении высших гармонических уменьшается точность из-за увеличения относительной погрешности квантования.

Таким образом, недостатки известных измерительных преобразователей - ограниченные функциональные возможности и низкая точность измерения высших гармонических составляющих.

Из известных устройств наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является измерительный преобразователь гармонических составляющих тока и напряжения, содержащий первичный преобразователь напряжения, вход которого соединен с потенциальной входной шиной устройства, а выход через последовательно соединенные фильтр нижних частот, умножитель частоты и делитель частоты соединен с объединенными входами первого и второго Т-триггеров и управляющими входами функционального преобразователя вида 2sinx| и функционального преобразователя вида 2cosx|, первичный преобразователь тока, вход которого соединен с токовой входной шиной устройства, четыре блока перемножения, первые входы первого и второго из которых объединены, вторые входы подключены соответственно к выходам функциональных преобразователей вида 2sinx| и |cosx|, а выходы подсоединены к информационным входам соответственно первого и второго преобразователей напряжение-частота синхронного типа, первые входы третьего и четвертого блоков перемножения объединены, вторые входы третьего и четвертого блоков перемножения соединены с выходами соответственно функционального преобразователя вида 2sinx| и функционального преобразователя вида 2cosx|, а выходы подключены к информационным входам соответственно третьего и четвертого преобразователей напряжение-частота синхронного типа, синхронизирующие входы первого, второго, третьего и четвертого преобразователей напряжение-частота синхронного типа и информационные входы функциональных преобразователей вида 2sinx| и |cosx| объединены и подключены к выходу умножителя частоты, а выходы подключены к попарно объединенным вторым входам соответственно первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого двухвходовых элементов И, первые выходы первого и пятого элементов И объединены и подключены к прямому выходу первого Т-триггера, инверсный выход которого соединен с объединенными первыми входами второго и шестого элементов И, первые входы третьего и седьмого элементов И объединены и подключены к прямому выходу второго Т-триггера, инверсный выход которого соединен с объединенными первыми входами четвертого и восьмого элементов И, выходы первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого элементов И подключены попарно к суммирующим и вычитающим входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого реверсивных счетчиков, R-входы которых объединены и подключены к выходу формирователя импульсов сброса, а выходы подключены к информационным входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого буферных регистров, C-входы которых объединены и подключены к выходу формирователя импульсов записи, включенного между прямым выходом первого T-триггера и входом формирователя импульсов сброса, а выходы подключены к параллельным портам блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока, вход запроса прерывания на обслуживание измерительного преобразователя подключен к выходу формирователя импульсов сброса, выход первичного преобразователя тока подключен к объединенным первым входам первого и второго блоков перемножения, выход первичного преобразователя напряжения подключен к объединенным первым входам третьего и четвертого блоков перемножения (патент РФ N 2003113, 1993, кл. G 01 R 19/06).

В известном устройстве измеряемое напряжение фильтруется и по отфильтрованному сигналу с помощью умножителя частоты и делителя частоты формируются тактовые импульсы и интервал измерения, равный периоду напряжения, а с помощью первого и второго функциональных преобразователей опорные синусоидальный и косинусоидальный сигналы, синхронизированные с периодом измерения. Измерение ортогональных составляющих гармоник тока и напряжения осуществляется в базисе опорных гармонических сигналов путем цифрового интегрирования произведений тока и напряжения на опорные синусоидальный и косинусоидальный сигналы с помощью четырех реверсивных счетчиков, содержимое которых в конце каждого периода измерения переписывается в буферные регистры, из которых информация вводится в блок вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока, реализованный с помощью микроЭВМ. Вычисление параметров гармоники напряжения, синфазной и квадратурной составляющих гармоники тока относительно гармоники напряжения, активной и реактивной мощностей гармоники, угла сдвига фазы тока относительно напряжения и косинуса угла сдвига фазы производится с помощью микроЭВМ за каждый период.

В известном измерительном преобразователе осуществляется одновременное измерение только одной гармоники тока и соответствующий ей гармоники напряжения, номер которых определяется программами, хранящимися в ПЗУ. При этом невозможно измерение других, а также нескольких гармоник тока и напряжения. Кроме того, поскольку в системах электроснабжения обычно амплитуды гармоник уменьшаются с ростом частоты (Аррилага Д. Брэдли Д. Воджер П. Гармоники в электрических системах /Пер. с англ. М. Энергоатомиздат, 1990, с. 160, рис. 6, 25), то при измерении высших гармонических составляющих уменьшается точность из-за увеличения относительной погрешности квантования где n₀ число разрядов счетчиков.

При измерении высших гармоник путем умножения входных сигналов на опорные сигналы измеряемой частоты и усреднения произведений абсолютная погрешность результата равна также Δ₁ а относительная погрешность равна где m номер измеряемой гармоники; I_m величина тока m-гармоники.

Из (1) следует, что при уменьшении уровня исследуемой гармоники погрешность измерений возрастает. Например, при n₀ 10 погрешность измерения первой гармоники δ₁=0,1%, а погрешность измерения гармоники m 11, уровень которой составляет 0,01·I₁, т.е. 1% равна δ₁₁=10%, т.е. превышает погрешность измерения основной гармоники в 100 раз.

Следовательно, недостатки известного измерительного преобразователя гармонических составляющих тока и напряжения ограниченные функциональные возможности и низкая точность измерения высших гармонических составляющих.

Цель изобретения расширения функциональных возможностей и повышение точности измерения высших гармонических составляющих.

Поставленная цель достигается том, что в известный измерительный преобразователь гармонических составляющих тока и напряжения, содержащий первичный преобразователь напряжения, вход которого соединен с потенциальной входной шиной устройства, а выход через последовательно соединенные фильтр нижних частот, умножитель частоты и делитель частоты соединен с объединенными входами первого и второго T-триггеров и управляющими входами функционального преобразователя вида |sinx| и функционального преобразователя вида 2cosx|, первичный преобразователь тока, вход которого соединен с токовой входной шиной устройства, четыре блока перемножения, первые входы первого и второго из которых объединены, вторые входы подключены соответственно к выходам функциональных преобразователей напряжение-частота синхронного типа, первые входы третьего и четвертого блоков перемножения объединены, вторые входы третьего и четвертого блоков перемножения соединены с выходами соответственно функционального преобразователя вида 2sinx| и функционального преобразователя вида 2cosx| а выходы подключены к информационным входам соответственно третьего и четвертого преобразователей напряжение-частота синхронного типа, синхронизирующие входы первого, второго, третьего и четвертого преобразователей напряжение-частота синхронного типа и информационные входы функциональных преобразователей вида 2sinx| и |cosx| объединены и подключены к выходу умножителя частоты, а выходы подключены к попарно объединенным вторым входам соответственно первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого двухвходовых элементов И, первые входы первого и пятого элементов И объединены и подключены к прямому выходу первого T-триггера, инверсный выход которого соединен с объединенными первыми входами второго и шестого элементов И, первые входы третьего и седьмого элементов И объединены и подключены к прямому выходу второго T-триггера, инверсный выход которого соединен с объединенными первыми входами четвертого и восьмого элементов И, выходы первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого элементов И подключены попарно к суммирующим и вычитающим входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого реверсивных счетчиков, R-входы которых объединены и подключены к выходу формирователя импульсов сброса, а выходы подключены к информационным входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого буферных регистров, C-входы которых объединены и подключены к выходу формирователя импульсов записи, включенного между прямым выходом первого T-триггера и входом формирователя импульсов сброса, а выходы подключены к параллельным портам блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока, вход запроса прерывания на обслуживание измерительного преобразователя подключен к выходу формирователя импульсов сброса, вход которого подключен к выходу формирователя импульсов записи, дополнительно введены два дифференцирующих устройства, первое из которых включено между выходом первичного преобразователя напряжения и объединенными первыми входами третьего и четвертого блоков перемножения, второе включено между выходом первичного преобразователя тока и второго блоков перемножения, а умножитель частоты выполнен с управляемым коэффициентом передачи, его управляющий вход соединен с выходом блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока, вход формирователя импульсов записи подключен к выходу фильтра нижних частот.

На фиг. 1 показана функциональная схема измерительного преобразователя гармонических составляющих тока и напряжения.

Устройство содержит первичный преобразователь напряжения 1, первое 2 и второе 4 дифференцирующие устройства, первичный преобразователь тока 4, фильтр нижних частот 5, функциональный преобразователь вида 2sinx| 6 и функциональный преобразователь вида 2cosx| 7, первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 блоки перемножения, формирователь импульсов записи 12, умножитель частоты 13 с управляемым коэффициентом передачи, формирователь импульсов сброса 14, первый 15, второй 16, третий 17 и четвертый 18 преобразователи напряжение-частота синхронного типа, делитель частоты 19, первый 20 и второй 21 T-триггеры, первый 22, второй 23, третий 24, четвертый 25, пятый 26, шестой 27, седьмой 28, восьмой 29 элементы И, первый 30, второй 31, третий 32, четвертый 33 реверсивные счетчики, первый 34, второй 35, третий 36 и четвертый 37 буферный регистры, блок вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока 38.

В измерительном преобразователе гармонических составляющих тока и напряжения вход первичного преобразователя напряжения 1 соединен с входом потенциальной шиной устройства, вход первичного преобразователя тока 3 соединен с входной токовой шиной устройства, фильтр нижних частот 5, умножитель 13 частоты и делитель 19 частоты соединены последовательно, вход фильтра нижних частот 5 подключен к выходу первичного преобразователя напряжения 1, выход умножителя частоты 13 подключен к объединенным информационным входам функционального преобразователя вида 2sinx| 6 и функционального преобразователя вида 2cosx| 7 и объединенным синхронизирующим входам первого 15, второго 16, третьего 17 и четвертого 18 преобразователей напряжение-частота синхронного типа, выход делителя частоты 19 подключен к объединенным управляющим входам функционального преобразователя вида 2sinx| 6 и функционального преобразователя вида 2cosx| 7 и объединенным входам первого и второго T-триггеров 20 и 21, первые входы первого и второго блоков перемножения объединены и подключены через второе дифференцирующее устройство 4 к выходу первичного преобразователя тока 3, вторые входы соединены с выходами функциональных преобразователей 6 и 7 сооветственно, а выходы подключены к информационным входам соответственно первого 15 и второго 16 преобразователей напряжение-частота, первые входы третьего и четвертого блоков перемножения 10 и 11 объединены и подключены через первое дифференцирующее устройство 2 к выходу первичного преобразователя напряжения 1, вторые входы подключены к выходам функциональных преобразователей 6 и 7 соответственно, а выходы подключены к информационным входам соответственно третьего 17 и четвертого 18 преобразователей напряжение-частота, выход первого преобразователя напряжение-частота 15 подключен к объединенным вторым входам первого и второго двухвходовых логических элементов И 22 и 23, первые входы первого и пятого двухвходовых элементов И 22 и 26 объединены и подключены к прямому выходу первого T-триггера 20, а первые входы второго и шестого элементов И 23 и 27 объединены и подключены к инверсному выходу первого T-триггера 18, выход второго преобразователя напряжение-частота 15 подключен к объединенным вторым входам третьего и четвертого двухвходовых логических элементов И 24 и 25, первые входы третьего и седьмого элементов И 24 и 28 объединены и подключены к прямому выходу второго T-триггера 21, а первые входы четвертого и восьмого элементов И 25 и 29 объединены и подключены к инверсному выходу второго T-триггера 21, выход третьего преобразователя напряжение-частота 17 подключен к объединенным вторым входам пятого и шестого двухвходовых логических элементов И 26 и 27, выход четвертого преобразователя напряжение-частота 9 подключен к объединенным вторым входам седьмого и восьмого двухвходовых логических элементов И 28 и 29, выходы первого, третьего, пятого и седьмого двухвходовых логических элементов И 22, 24, 26, 28 подключены к суммирующим входом соответственно первого, второго, третьего и четвертого реверсивных счетчиков 30-33, выходы второго, четвертого, шестого и восьмого двухвходовых элементов И 23, 25, 27, 29 подключены к вычитающим входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого реверсивных счетчиков 30-33, R-входы первого, второго, третьего и четвертого реверсивных счетчиков 30-33 объединены и подключены к выходу формирователя импульсов сброса 14, вход которого подключен через формирователь импульсов записи 12 к выходу фильтра нижних частот 5, информационные входы первого 34, второго 35, третьего 36, четвертого 37 буферных регистров подключены к выходам соответственно первого 30, второго 31, третьего 32 и четвертого 33 реверсивных счетчиков, C-входы первого 34, второго 35, третьего 36, четвертого 37 буферных регистров объединены и подключены к выходу формирователя импульсов записи 12, а выходы подключены к параллельным портам блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока, вход запроса прерывания на обслуживание измерительного преобразователя подключен к выходу формирователя импульсов сброса 14, управляющий вход умножителя частоты 13 соединен с выходом блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока.

Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип действия измерительного преобразователя гармонических составляющих тока и напряжения, приведены на фиг. 2, где выходные сигналы элементов устройства обозначены символом u с индексом, соответствующим номеру элемента на функциональной схеме (фиг. 1).

Измерительный преобразователь гармонических составляющих тока и напряжения работает следующим образом. Несинусоидальное напряжение питающей электрической сети

где U_Mm, ϕ_m- амплитуда и фаза m-й гармоники (для упрощения анализа примем ϕ₁=0
ω - частота;
m номер гармоники,
поступает на вход первичного преобразователя 1 напряжения, а с его выхода подается на фильтр нижних частот 5, который подавляет высшие гармоники напряжения и формирует сигнал
u₅= U_мsin(ωt+Θ),
где U_M амплитуда гармонического сигнала на выходе фильтра нижних частот 5,
Θ - фазовый сдвиг сигнала фильтра нижних частот 5 относительно первой гармоники напряжения u, вносимый фильтром 5.

Напряжение u₁ с выхода первичного преобразователя 1 поступает на вход первого дифференцирующего устройства 2, на выходе которого формируется сигнал

где k₂ коэффициент передачи дифференцирующего устройства 2.

Измеряемый несинусоидальный ток

где I_Mm амплитуда m-й гармоники тока;
Ψ_m - фазовый сдвиг,
преобразуется первичным преобразователем тока 3 в напряжение
u₃ K₃i,
где k₃ коэффициент передачи первичного преобразователя тока 3.

Сигнал u₃ преобразуется вторым дифференцирующим устройством 4 в напряжение

где k₄ коэффициент передачи второго дифференцирующего устройства.

Код с одного из портов блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока 38 действует на управляющем входе умножителя частоты 13, в результате чего его коэффициент передачи установлен равным
k₁₃ m·n,
где n коэффициент.

Сигнал с выхода фильтра нижних частот 5 поступает на вход умножителя 13 частоты на m·n, на выходе которого формируются импульсы u₁₃ с частотой, пропорциональной частоте f питающей сети и номеру m измеряемой гармоники
f₁₃ mnf mn/T
где Т 1/f период сети.

Импульсы u₁₃ с выхода умножителя частоты 13 поступают на делитель 19 частоты на n/2, на выходе которого формируются импульсы u₁₉ с частотой f₁₉ 2mf₁₃/n, которая равна удвоенной частоте измеряемой гармоники. Импульсы u₁₉ поступают одновременно на входе T-триггера 20 с установкой по положительному фронту и T-триггера 21 с установкой по отрицательному фронту. В результате на выходе первого T-триггера 20 формируется последовательность импульсов u₂₀, имеющая частоту измеряемой гармоники, но сдвинутая по фазе относительно соответствующей гармоники напряжения на угол γ_m (см. фиг. 3). На выходе второго T-триггера 21 действует последовательность импульсов, сдвинутая по фазе относительно импульсной последовательности u₂₀ на четверть периода, а относительно гармоники напряжения на угол (90 + γ_m) эл. град.

Сигнал u₅ с выхода фильтра нижних частот 5 поступает на вход формирователя импульсов записи 12, выход которого соединен с входом формирователя импульсов сброса 14. На выходах этих формирователей в начале каждого периода измерения действуют импульсы u₁₂ и u₁₄, которые управляют записью информации в буферные регистры 34-37 и установкой в начальное состояние реверсивных счетчиков 30-33. Импульс u₁₄ сигнализирует о завершении цикла измерения для блока вычисления гармонических составляющих напряжения и тока 38, после чего разрешается считывание информации в 38 из буферных регистров 34 37.

Функциональные преобразователи 6 и 7 представляют собой цифровые формирователи опорных квазигармонических сигналов |sinx| и |cosx| Их работа происходит следующим образом. В моменты времени, соответствующие положительным и отрицательным фронтам импульсов u₁₉, функциональные преобразователи устанавливаются выходным сигналом u₁₉ делителя частоты 19 в начальное состояние. Далее функциональные преобразователи 6 и 7 выполняют преобразование количества импульсов u₁₃, поступающих с выхода умножителя частоты 17 на их информационные входы, в квазигармонические сигналы

где U_a амплитудное значение сигналов.

Квазигармонические сигналы образуют базис ортогональных функций, в котором осуществляется измерение составляющих m-ых гармоник напряжения и тока.

Векторная диаграмма напряжений и токов, поясняющая работу измерительного преобразователя, приведена на фиг. 3, где обозначено:
векторы m-ых гармоник напряжения и тока, сдвинутые по фазе друг относительно друга на угол ϕ_m-Ψ_m
векторы опорных напряжений, образующие ортогональный базис для m-ых гармоник тока и напряжения;
векторы m-ых гармоник напряжения и тока, формируемых на выходах соответственно первого 2 и второго 4 дифференцирующих устройств;
U⁽²_mn⁾, U⁽²_mn^)*, I⁽⁴_mn⁾, I⁽⁴_mn^)* - проекции векторов производных m-ых гармоник напряжения и тока на оси ортогонального базиса.

Выделение проекции производной от m-й гармоники несинусоидального тока на ось sinx ортогонального базиса (u₆, u₇) осуществляется следующим образом. Первый блок перемножения 8 выполняет умножение сигнала u₄, пропорционального производной от тока, на опорный квазигармонический сигнал u₆. В результате на выходе блока перемножения 8 формируется напряжение

где k₈ коэффициент передачи первого блока перемножения 8.

Сигнал u₈ поступает на вход первого преобразователя напряжение-частота 15 и преобразуется им в импульсы u₁₅, следующие с частотой

где k₁₅ коэффициент передачи первого преобразователя напряжение-частота 15;
U_см напряжение смещения преобразователя напряжение-частота 15.

Выходные импульсы первого преобразователя напряжение-частота 15 поступают на вторые входы первого и второго логических элементов И 22 и 23, первые входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам первого T-триггера 20, а выходы соединены с суммирующим и вычитающим входам первого реверсивного счетчика 30. В начале каждого периода измерения (момент t₀) первый реверсивный счетчик 30 выходным импульсом формирователя импульсов сброса 14 устанавливается в нулевое состояние N₃₀ 0. Далее импульсы u₁₅ в зависимости от состояния триггера 20 поступают на суммирующий и вычитающий входы первого реверсивного счетчика. При этом в интервалах времени длительностью
τ=T/2m,
при которых sin(mωt+γ_m)>0 импульсы U₁₅ поступают на суммирующий вход счетчика 30, а в m интервалах времени, соответствующих значениям sin(mωt+γ_m)<0, эти импульсы поступают на вычитающий вход счетчика 30. Благодаря этому обеспечивается, во-первых, цифровое интегрирование произведения сигнала u₄ на sin(mωt+γ_m) с использованием упрощенного однополярного функционального преобразователя 7: u₇=U_a|sin(mωt+γ_m)|, и, во-вторых, компенсация напряжения смещения U_см преобразователя напряжение-частота 15, которое необходимо для работы преобразователя 15 с двухполярным входным сигналом. В результате в конце периода измерения, равного периоду T основной гармоники, в первом реверсивном счетчике записывается в двоично-дополнительном коде число

где k_п.T 0,5 k₃k₄k₈k₁₅nU_a - коэффициент передачи измерительного преобразователя для проекции произведений m-й гармоники, тока на ось sinx базиса (u₆, u₇).

Знак числа N₃₀ определяется значением старшего разряда двоичного реверсивного счетчика 30. Положительному значению N₃₀ соответствует 0 в старшем разряде, а отрицательному значению 1.

Выделение проекции производной m-й гармоники тока на ось cosx ортогонального базиса (u₆, u₇) осуществляется аналогичным образом. Второй блок перемножения 9 выполняет умножение сигнала u₄ на опорный квазигармонический сигнал u₇. В результате на выходе блока перемножения 9 формируется сигнал

где k₉ коэффициент передачи второго блока перемножения 9.

Сигнал u₉ поступает на вход второго преобразователя напряжение-частота 16 и преобразуется им в импульсы u₁₆, следующие с частотой

где k₁₆ коэффициент передачи второго преобразователя напряжение-частота 16.

Выходные импульсы второго преобразователя напряжение-частота 16 поступают через логические элементы И 24 и 25 соответственно на суммирующий и вычитающий входы второго реверсивного счетчика 31. Этот счетчик устанавливается в начале каждого периода измерения (момент t₀) в нулевое состояние, а в конце периода измерения (момент t₀+T) в нем в двоично-дополнительном коде записывается число

где k*_п.Т= 0,5k₃k₄k₉k₁₆nU_a - коэффициент передачи измерительного преобразователя для проекции производной m-й гармоники тока на ось cosx базиса (u₆, u₇).

Выделение проекций m-й гармоники напряжения на оси базиса (u₆, u₇) осуществляется аналогичным образом с помощью третьего 10 и четвертого 11 блоков перемножения, третьего 17 и четвертого 18 преобразователей напряжение-частота, пятого 26, шестого 27, седьмого 28 и восьмого 29 элементов И, третьего 32 и четвертого 33 реверсивных счетчиков. В соответствии с логикой работы устройства в конце периода измерения в третьем и четвертом реверсивных счетчиках 32 и 33 записываются числа соответственно

где k_п.н 0,5 k₁k₂k₁₁k₁₆nU_a,
k^*_п.н. 0,5 k₁k₂k₁₁k₁₈nU_a коэффициенты передачи измерительного преобразователя для проекций m-й гармоники напряжения на оси sinx и cosx ортогонального базиса (u₆, u₇).

В конце каждого периода измерения (момент t₀+T) выходным импульсом формирователя импульсов записи 12 производится запись содержимых реверсивных счетчиков 30-31 в буферные регистры 34 -- 37. Затем выходным импульсом формирователя импульсов сброса 14 производится установка в нулевое состояние реверсивных счетчиков 30-33. Далее процесс повторяется. При этом в течение последующего периода измерение в буферных регистрах 34-37 хранятся числа N₃₄ N₃₀, N₃₅ N₃₁, N₃₆ N₃₂, N₃₇ N₃₃.

По сигналу с выхода формирователя импульсов сброса 14, поступающему на вход INT блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока 38 (вход запроса прерывания на обслуживание измерительного преобразователя), в микроЭВМ 38 происходит вызов подпрограммы, по которой осуществляется считывание кодов с буферных регистров 34-37. Далее производится вычисление параметров m-ых гармоник несинусоидальных напряжения и тока по следующим формулам:
амплитудные значения m-ых гармоник напряжения и тока

действующие значения m-ых гармоник напряжения и тока

угол сдвига фаз между m-ми гармониками напряжения и тока
β_m=ϕ_m-Ψ_m=arctg(N₃₇/N₃₆)-arctg(N₃₅/N₃₄);
амплитудное и действующее значения синфазной составляющей m-й гармоники тока

амплитудное и действующее значения квадратурной составляющей m-й гармоники тока

активная мощность m-й гармоники
P_m=U_mI_mcosβ_m;
реактивная мощность m-й гармоники
Q_m=U_mI_msinβ_m;
полная мощность m-й гармоники
S_m=U_mI_m
Результаты вычислений выводятся на дисплей или алфавитно-цифровое печатающее устройство.

Для измерения параметров другой гармоники на выходе блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока формирует код, который устанавливает новое значение коэффициента передачи умножителя частоты 13. Процедура измерений при этом аналогична рассмотренной.

Таким образом, измерение параметров гармоник тока и напряжения в предлагаемом устройстве осуществляется путем разложения производных тока и напряжения на ортогональные составляющие в базисе опорных гармонических сигналов (sinx, cosx) с последующим вычислением всех параметров с помощью блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока по значениям измеренных составляющих. Дифференцирование сигналов, пропорциональных току и напряжению, обеспечивает усиление высших гармоник при сохранении (или снижении) уровня основной гармоники. Так как в предлагаемом устройстве осуществляется аналого-цифровое преобразование производных от гармоник, то погрешность квантования при измерении m-й гармоники равна

т. е. в m раз меньше, чем δ_m, определяемое выражением (1). Например, при измерении 11-й гармоники, уровень которой составляет 1% от основной, относительная погрешность

т.е. на порядок меньше, чем в известном устройстве.

При этом предлагаемое техническое решение позволяет измерять как основную, так и высшие гармоники тока и напряжения, а также выполнять последовательно во времени измерения разных гармоник по программе с помощью микроЭВМ. Следовательно, устройство имеет расширенные функциональные возможности.

Другими важными достоинствами измерительного преобразователя являются:
инвариантность результатов измерений относительно изменений частоты питающей сети, что следует из уравнений (2)-(5);
высокое быстродействие, время измерения равно периоду напряжения питающей сети;
представление данных в цифровом коде и обработка данных с помощью микроЭВМ.

Использование предлагаемого измерительного преобразователя гармонических составляющих тока и напряжения в электротехнических устройствах и энергетических системах позволит повысить точность учета электроэнергии и качество функционирования автоматических систем регулирования режимов работы электрооборудования.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь гармонических составляющих тока и напряжения, содержащий первичный преобразователь напряжения, вход которого соединен с потенциальной входной шиной преобразователя, выход через последовательно соединенные фильтр нижних частот, умножитель частоты и делитель частоты соединен с объединенными входами первого и второго Т-триггеров и управляющими входами функционального преобразователя вида |sinx| и преобразователя вида 2cosx|, первичный преобразователь тока, вход которого соединен с токовой входной шиной преобразователя, четыре блока перемножения, первые входы первого и второго из которых объединены, вторые входы подключены соответственно к выходам функциональных преобразователей вида |sinx| и 2cosx|, а выходы подсоединены к информационным входам соответственно первого и второго преобразователей напряжение частота синхронного типа, первые входы третьего и четвертого блоков перемножения объединены, вторые входы соединены с выходами соответственно функционального преобразователя вида |sinx| и функционального преобразователя вида 2cosx|, а выходы подключены к информационным входам соответственно третьего и четвертого преобразователей напряжение - частота синхронного типа, синхронизирующие входы первого четвертого преобразователей напряжение частота синхронного типа и информационные входы функциональных преобразователей вида |sinx| и |cosx| объединены и подключены к выходу умножителя частоты, а выходы к попарно объединенным вторым входам соответственно первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого двухвходовых элементов И, первые входы первого и пятого элементов И объединены и подключены к прямому выходу первого Т-триггера, инверсный выход которого соединен с объединенными первыми входами второго и шестого элементов И, первые входы третьего и седьмого элементов И объединены и подключены к прямому выходу второго Т-триггера, инверсный выход которого соединен с объединенными первыми входами четвертого и восьмого элементов И, выходы первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого элементов И подключены попарно к суммирующим и вычитающим входам соответственно первого четвертого реверсивных счетчиков, R-входы которых объединены и подключены к выходу формирователя импульсов сброса, а выходы подключены к информационным входам соответственно первого четвертого буферных регистров, С-входы которых объединены и подключены к выходу формирователя импульсов записи, а выходы к параллельным портам блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока, вход запроса прерывания на обслуживание измерительного преобразователя подключен к выходу формирователя импульсов сброса, вход которого подключен к выходу формирователя импульсов записи, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два дифференцирующих устройства, первое из которых включено между выходом первичного преобразователя напряжения и объединенными первыми входами третьего и четвертого блоков перемножения, второе включено между выходом первичного преобразователя тока и объединенными первыми входами первого и второго блоков перемножения, а умножитель частоты выполнен с управляемым коэффициентом передачи, его управляющий вход соединен с выходом блока вычисления параметров гармонических составляющих напряжения и тока, вход формирователя импульсов записи подключен к выходу фильтра нижних частот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3