Способ формирования сигналов, пропорциональных симметричным составляющим трехфазной системы

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и направленно на повышение быстродействия получения и расширение функциональных возможностей использования симметричных составляющих трехфазных систем в устройствах измерения и противоаварийной автоматики энергосистем, трехфазных электроприводов и т.д. Отличительной особенностью способа является то, что перед перемножением сигналы контролируемой терхфазной системы масштабируют по амплитуде, а затем из полученных промасштабированных сигналов путем вычитания и сложения соответственно формируют три промежуточных сигнала. Промежуточные сигналы умножают на сигналы опорных ортогональных высокочастотных напряжений с частотой, значительно превышающей частоту трехфазной сети. В полученных после перемножения сигналах подавляют нежелательные частоты фильтрами высоких частот. 1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в релейной защите и противоаварийной автоматике энергосистем, трехфазных электроприводов и т.д.

Известен способ разложения напряжений многофазной цепи на ортогональные составляющие симметричных последовательностей, согласно которому формируют два опорных ортогональных сигнала с частотой контролируемой трехфазной цепи, умножают их на фазные напряжения цепи, подавляют фильтрами в полученных после перемножений сигналов переменные составляющие, а полученные постоянные напряжения суммируют, вводя соответствующие весовые коэффициенты. В результате получают сигналы в виде постоянных напряжений, пропорциональных амплитудным значениям действительных и мнимых частей симметричных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей контролируемой трехфазной цепи.

Известный способ имеет следующие недостатки. Он требует использования шести операций перемножения и шести операций подавления относительно низких частот (двойной частоты сети), что, с одной стороны, определяет сложность способа, а с другой снижает его быстродействие. Наиболее существенным недостатком является то, что выходные сигналы по известному способу являются постоянными напряжениями, пропорциональными действительным и мнимым частям симметричных составляющих. Используя их, можно сформировать векторы (комплексные формы) симметричных составляющих, но невозможно непосредственно использовать фазовые соотношения между симметричными составляющими. Это ограничивает функциональные возможности применения известного способа в устройствах измерения и противоаварийной автоматики.

Технической задачей изобретения является повышение быстродействия способа формирования сигналов, пропорциональных симметричным составляющим трехфазной системы, а также его упрощение и расширение функциональных возможностей применения известного способа.

Для этого в способе формирования сигналов, пропорциональных симметричным составляющим трехфазной системы, заключающемся в том, что первый, второй и третий сигналы, пропорциональные фазным напряжениям трехфазной системы, соответственно U_a, U_b, U_c перемножают с сигналами опорных ортогональных напряжений и в полученных перемноженных сигналах подавляют сигналы нежелательных переменных составляющих, согласно изобретению перед перемножением сигналы U_a, U_b, U_c масштабируют по амплитуде таким образом, что из сигналов U_a получают один промасштабированный сигнал, из сигналов U_b и U_c получают по три промасштабированных сигнала, затем путем вычитания соответствующих промасштабированных сигналов формируют первый и второй промежуточные сигналы, а путем сложения соответствующих промасштабированных сигналов формируют третий промежуточный сигнал, умножают одновременно первый промежуточный сигнал на первый из сигналов опорных ортогональных напряжений, второй промежуточный сигнал на второй из сигналов опорных ортогональных напряжений и третий промежуточный сигнал на первый из сигналов опорных ортогональных напряжений, полученные перемножением первой и второй промежуточные сигналы одновременно суммируют и вычитают, а в сигналах, полученных после суммирования и вычитания, а также в третьем перемноженном промежуточном сигнале подавляют составляющие нежелательных разностных частот, получая таким образом значения сигналов, пропорциональных симметричным составляющим соответственно прямого, обратного и нулевого следования фаз контролируемый трехфазной системы.

Отличительной особенностью способа является то, что перед перемножением сигналы контролируемой трехфазной системы масштабируют по амплитуде, а затем из полученных промасштабированных сигналов путем вычитания и сложения соответственно формируют три промежуточных сигнала. Промежуточные сигналы умножают на сигналы опорных ортогональных высокочастотных напряжений. В полученных после перемножения сигналах подавляют нежелательные разностные частоты фильтрами высоких частот. Это приводит к упрощению способа, т.к. уменьшается число операций перемножения и операций подавления гармоник в два раза по отношению к известному способу. Быстродействие предлагаемого способа повышается за счет возможности применения высокочастотных подавляющих фильтров. Кроме того, выходные сигналы по предлагаемому способу являются высокочастотными напряжениями, пропорциональными мгновенным значениям симметричных составляющих, которые учитывают не только амплитудные, но и фазовые соотношения между ними. Это расширяет возможности применения такого способа формирования сигналов в устройствах измерения, релейной защиты и противоаварийной автоматики.

Для пояснения способа на чертеже приведена структурная схема устройства для его реализации, где 1, 2, 3 масштабирующие блоки, 4, 5, 6 суммирующие (вычитающие) блоки, 7, 8, 9 -перемножители, 10 блок опорных ортогональных высокочастотных напряжений, который выдает первый cos nt и второй sin nt опорные сигналы, причем их частота n значительно больше частоты контролируемой системы, 11 вычитающий блок, 12 сумматор, 13, 14, 15 заграждающие высокочастотные фильтры.

Способ осуществляется следующим образом.

На входы блоков 1, 2, 3 подают соответственно мгновенные напряжения контролируемой трехфазной системы U_a, U_b, U_c.

Эти напряжения, как известно, можно представить в виде сумм симметричных составляющих прямого U₁sin (ωt+α₁), обратного U₂sin (ωt+α₂) и нулевого U₀sin (ωt+α_o) следования фаз в следующем виде: где U₁, U₂, U₀ амплитудные значения составляющих, α₁, α₂, α_o из начальные фазы, ω угловая частота сети.

Блоки 1, 2, 3 масштабируют амплитуды подаваемых на их вход напряжений. На выходе блока 1 формируется напряжение На выходе блока 2 формируются три напряжения: . На выходе блока 3 формируются три напряжения: .

Блоки 4, 5, 6 формируют соответственно три промежуточных сигнала по следующим выражениям: Подставляя в формулы (2), (2), (4) выражения (1), получаем Блоком 7 осуществляется умножение сигнала U₁ на первый опорный сигнал генератора 10. В результате на его выходе формируется сигнал
Блоком 8 осуществляется умножение сигнала U₂ на второй опорный сигнал. На выходе блока 8 формируется сигнал

Блок 9 умножает сигнал U₃ на первый опорный сигнал, и на его выходе возникает сигнал

В блоке 11 из сигнала U₄ вычитается сигнал U₅ и на выходе формируется сигнал

В блоке 12 суммируются сигналы U₄ и U₅, в результате возникает сигнал

Блоки 13, 14 и 15 являются заграждающими высокочастотными фильтрами. Они подавляют в подаваемых на их вход сигналах U₇, U₈ и U₆ составляющие разностных частот (n-ω).

В результате фильтрации на выходе блока 13 имеет место первый выходной сигнал

на выходе блока 14 второй выходной сигнал
u_вых2 = U₂sin[(n+ω)t+α₂], (14)
а на выходе блока 15 третий выходной сигнал
u_вых3 = U_osin[(n+ω)t+α_o]. (15)
Таким образом, выходные сигналы (13), (14) и (15) представляют собой высокочастотные синусоидальные напряжения высокой частоты (n+ω), амплитуды и начальные фазы которых равны соответственно амплитудам и начальным фазам симметричных составляющих. Одновременное использование сигналов всех трех симметричных составляющих напряжений и токов с учетом амплитудных и фазовых соотношений между ними позволяет отличить все возможные виды аварийных ситуаций, а также разделить их по фазам контролируемой цепи. Быстродействие выявления повышается при этом более чем на порядок за счет высокой частоты выходных сигналов.

Предлагаемый способ позволяет также измерять активную, а главное реактивную мощность симметричных последовательностей. При этом повышаются быстродействие и точность измерительных преобразователей.

Выходные сигналы по предлагаемому способу дают возможность реализовать всевозможные фазочувствительные реле параметров режима трехфазной цепи с разделением их по составляющим.

Быстродействие таких реле также существенно выше, чем у реле, работающих на частоте сети.

Использование высокочастотных сигналов, пропорциональных мгновенным значениям симметричных составляющих, позволит, кроме того, повысить точность работы устройств измерения и релейной защиты энергосистем. Это достигается за счет того, что на высокой частоте измерения производятся многократно за период частоты трехфазной сети.

Объектами непосредственного применения изобретения являются следующие: турбо и гидрогенераторы тепловых, атомных и гидроэлектростанций и ТЭЦ; электрические подстанции и узлы линий электропередач и электрических сетей; электродвигатели прокатных станов и других мощных электроприводов; электродвигатели нефте и газоперекачивающих станций. Изобретение также может быть использовано в приборах для контроля и анализа несимметрии токов и напряжений и в системах контроля и регулирования качества электрической энергии.

Формула изобретения

Способ формирования сигналов, пропорциональных симметричным составляющим трехфазной системы, заключающийся в том, что первый, второй и третий сигналы, пропорциональные фазным напряжениям U_a, U_b и U_c трехфазной системы, перемножают с сигналами опорных ортогональных напряжений и в полученных перемноженных сигналах подавляют сигналы нежелательных переменных составляющих, отличающийся тем, что перед перемножением сигналы U_a, U_b и U_c масштабируют по амплитуде так, что из сигнала U_a получают один промасштабированный сигнал, из сигналов U_b и U_c - по три масштабированных сигнала, затем путем вычитания соответствующих промасштабированных сигналов формируют первый и второй промежуточные сигналы, а путем сложения соответствующих промасштабированных сигналов формируют третий промежуточный сигнал, перемножают одновременно первый промежуточный сигнал на первый из сигналов опорных ортогональных напряжений, второй промежуточный сигнал на второй из сигналов опорных ортогональных напряжений и третий промежуточный сигнал на первый из сигналов опорных ортогональных напряжений, полученные перемноженные первый и второй промежуточные сигналы одновременно суммируют и вычитают, а в сигналах, полученных после суммирования и вычитания, а также в третьем перемноженном промежуточном сигнале подавляют составляющие нежелательных разностнх частот, получая таким образом значения сигналов, пропорциональных симметричным составляющим соответственно прямого, обратного и нулевого следования фаз контролируемой трехфазной системы.

РИСУНКИ

Рисунок 1