Электронный измеритель реактивной мощности

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах компенсации реактивной мощности (РМ) и в электрических сетях как при синусоидальных, так и при несинусоидальных режимах. Техническим результатом является повышение точности измерения реактивной мощности как при синусоидальном, так и несинусоидальном режимах в электрической цепи. Состав схемы электронного измерителя реактивной мощности содержит перемножающее устройство, к выходу которого подсоединен блок выделения составляющей сигнала реактивной мощности (БВССРМ). К выходу БВССРМ подсоединен блок выделения постоянной составляющей сигнала РМ. Дополнительно введены измерительный трансформатор напряжения и трансформатор тока, схема управления БВССРМ и повторитель напряжения. Схема управления БВССРМ содержит инвертирующий усилитель, вход которого подсоединен к выходу трансформатора тока, а выход которого подсоединен к входу второго усилителя-ограничителя, выход которого подсоединен к входу второго формирователя крутых фронтов импульсов, вход первого усилителя-ограничителя подсоединен к выходу измерительного трансформатора напряжения, а выход первого усилителя-ограничителя подсоединен к входу первого формирователя крутых фронтов импульсов, выходы первого и второго формирователей крутых фронтов импульсов подсоединены к входам первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подсоединен к входу логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подсоединен к управляющему входу БВССРМ 4. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в измерительных преобразователях реактивной мощности (РМ) как при синусоидальных, так и при несинусоидальных режимах, а также в качестве датчика реактивной мощности при учете реактивной энергии Wp. Реактивная энергия вычисляется по формуле: W_р=Qt, где Q - реактивная мощность. Реактивная энергия - условный термин, т.к. W_р не является энергией [1]. Реактивная мощность характеризует энергию, потребляемую от источника, идущую на создание электрического и магнитного полей в нагрузке, в течение каждого полупериода напряжения сети.

Известны различные типы измерителей реактивной мощности, предназначенных для измерения реактивной энергии в электрических сетях [2-5], к которым относятся приборы электродинамической системы (ваттметры) [2], а также электронные преобразователи (датчики) реактивной мощности [3].

В состав измерителя реактивной мощности, например Ф441, входят реверсивный переключатель, широтно-импульсный модулятор, фазосдвигающее устройство, амплитудно-импульсный модулятор и генератор опорной частоты.

Недостатки электронных измерителей РМ данного типа заключаются в том, что они при несинусоидальном режиме будут иметь дополнительную погрешность, зависящую от формы напряжения u_ф(t), причем эта погрешность тем выше, чем выше коэффициент несинусоидальности кривых напряжения и тока.

В настоящее время в связи с непрерывными коммутациями, с применением силовых тиристорных устройств, нелинейных нагрузок, импульсных преобразователей и т.п. в электрических цепях возникают несинусоидальные процессы с высоким уровнем искажения кривых тока и напряжения. Особенно сильному искажению подвергается кривая тока, в связи с этим возникает необходимость создания измерителей реактивной мощности, способных работать с высокой точностью при несинусоидальных режимах.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по сущности является устройство, реализующее способ измерения реактивной мощности [4], схема которого содержит блок выделения сигнала реактивной мощности при синусоидальных режимах.

Устройство, реализующее способ измерения реактивной мощности, содержит множительный блок, первый фильтр нижних частот, инвертор, сумматор, ключ, второй фильтр нижних частот, блок управления ключом, состоящий из первого и второго формирователей, логического блока, причем входы множительного блока соединены с входными шинами, а выход подключен к входу первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с первой выходной шиной, вход первого фильтра нижних частот соединен с первым входом сумматора, а выход - с входом инвертора, выход которого соединен с вторым входом сумматора, выход которого соединен с сигнальным входом ключа, выход которого соединен с входом второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с второй выходной шиной, входы формирователей соединены с соответствующими входными шинами, а выходы - с входами логического блока, выход которого соединен с управляющим входом ключа.

Из изложенного следует, что данное устройство может быть использовано для измерения реактивной мощности только при синусоидальных режимах. В данном устройстве при несинусоидальных режимах при определенных формах кривых напряжения и тока могут возникать ошибки при выделении интервалов времени, в течение которых происходит усреднение реактивной мощности.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения реактивной мощности как при синусоидальном, так и несинусоидальном режимах в электрической цепи.

Поставленная задача достигается тем, что в состав схемы электронного измерителя реактивной мощности, содержащего перемножающее устройство, к выходу которого подсоединен блок выделения составляющей сигнала реактивной мощности (БВССРМ), к выходу которого подсоединен блок выделения постоянной составляющей сигнала РМ, дополнительно введены измерительный трансформатор напряжения и трансформатор тока, схема управления БВССРМ и повторитель напряжения, причем один вход схемы управления БВССРМ подсоединен к выходу измерительного трансформатора напряжения, а другой - к выходу трансформатора тока, выход схемы управления подсоединен к управляющему входу БВССРМ, блок выделения постоянной составляющей РМ одним концом соединен с БВССРМ, а другим - с повторителем напряжения. Кроме того, схема управления БВССРМ содержит инвертирующий усилитель, вход которого подсоединен к выходу трансформатора тока, а выход которого подсоединен к входу второго усилителя-ограничителя, выход которого подсоединен к входу второго формирователя крутых фронтов импульсов, вход первого усилителя-ограничителя подсоединен к выходу измерительного трансформатора напряжения, а выход первого усилителя-ограничителя подсоединен к входу первого формирователя крутых фронтов импульсов, выходы первого и второго формирователей крутых фронтов импульсов подсоединены к входам первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подсоединен к входу второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подсоединен к управляющему входу БВССРМ.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемого электронного измерителя реактивной мощности; на фиг. 2 изображена структурная схема блока управления ключом; на фиг. 3 приведены временные диаграммы электронного измерителя реактивной мощности для случая индуктивной нагрузки при несинусоидальном режиме (случай емкостной нагрузки не показан, т.к. процессы формирования сигналов идентичны, за исключением изменения полярности выходного сигнала блока 7).

Предлагаемый электронный измеритель реактивной мощности содержит измерительный трансформатор напряжения 1 и трансформатор тока 2, выходы которых соединены с входами перемножающего устройства 3. В качестве перемножающего устройства 3 в предлагаемом изобретении используется импульсное перемножающее устройство. В состав импульсного перемножающего устройства 3 входят генератор треугольных импульсов напряжения, выход которого соединен с компаратором напряжения, и два аналоговых ключа на КМОП-транзисторах, к входам которых подсоединены инвертирующий усилитель и неинвертирующий усилитель. Выходы ключей соединены с входом блока выделения составляющей сигнала реактивной мощности (БВССРМ) 4 (эта составляющая определяет величину энергии, возвращаемую в сеть дважды за период Т (см. фиг. 3), запасаемой в виде электрического и магнитного поля в нагрузке, в те промежутки времени, когда мгновенные значения напряжения и тока противоположны по знаку). К выходу БВССРМ подсоединен блок выделения постоянной составляющей сигнала 6, выход которого подключен к повторителю напряжения с большим входным сопротивлением 7. Схема управления блоком БВССРМ 5 подсоединена к выходам измерительного трансформатора напряжения 1 и трансформатора тока 2. В качестве схемы управления блоком БВССРМ 5 используется схема, показанная на фиг. 2. В состав схемы выделения сигнала управления 5 входят инвертирующий усилитель 8, два усилителя-ограничителя 9 и 10, два формирователя крутых фронтов импульсов 11 и 12, устройство выделения промежутков времени возврата энергии в сеть 15, состоящее из двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 и 14. На выходе схемы выделения сигнала управления формируются импульсы, управляющие работой БВССРМ 4.

Работает электронный измеритель реактивной мощности следующим образом.

Сигнал, соответствующий току нагрузки, поступает на трансформатор тока 2, и на его выходе получаем напряжение u₂ = k_ii_н, где u₂ - мгновенное напряжение на выходе трансформатора тока; i_н - мгновенный ток нагрузки; k_i - коэффициент пропорциональности по току, и далее подается на перемножающее устройство 3.

Одновременно сигнал, соответствующий мгновенному значению напряжения на нагрузке, поступает на измерительный трансформатор напряжения 1, и на его выходе получаем напряжение u₁ = k_uu_н, где u₁ - мгновенное напряжение на выходе измерительного трансформатора напряжения; u_н - мгновенное напряжение нагрузки; k_u - коэффициент пропорциональности по напряжению.

Сигналы измерительного трансформатора напряжения и трансформатора тока подаются на входы перемножающего устройства 3. Конструкция импульсного перемножающего устройства подробно описана в технической литературе, например, [6].

Выходное напряжение перемножающего устройства 3 поступает на вход блока БВССРМ, который представляет собой электронный ключ, замыкающийся на время возврата запасенной в нагрузке энергии в сеть. Это происходит дважды за период (см. фиг. З). Выходное напряжение БВССРМ поступает на блок 6 (осуществляющий выделение значения реактивной мощности Q). В качестве этого блока может быть использован сглаживающий RC-фильтр нижних частот с достаточно большой постоянной времени (RC > T). Далее выходной сигнал фильтра нижних частот поступает на вход повторителя напряжения 7, выходное напряжение (среднее значение) которого для случая синусоидального режима можно записать следующим образом:

где k_q - масштабный коэффициент реактивной мощности;
Q - значение реактивной мощности;
T - период сети;
0-t₁, t₂-t₃ - промежутки времени, в течение которых запасенная в нагрузке энергия в виде электрического и магнитного полей возвращается в сеть.

Блок 5 введен для того, чтобы в моменты времени, когда напряжения u_u и u_I противоположны по знаку (это означает, что в это время запасенная в нагрузке энергия в виде электрического и магнитного полей возвращается в источник), на блок 4 подавалось управляющее напряжение. Под действием этого управляющего напряжения замыкается электронный ключ. В результате чего выходное напряжение блока 4 будет пропорционально мгновенному значению мощности электрической энергии, отдаваемой в нагрузку, а выходное напряжение блока 6, как отмечалось ранее, будет пропорционально текущему значению реактивной мощности.

Схема блока 5 (см. фиг. 7) работает следующим образом. На вход инвертирующего усилителя 8 поступает напряжение u_i с целью его усиления до величины, достаточной для нормальной работы ПУ. Затем выходное напряжение u₈ этого блока и напряжение, пропорциональное напряжению на нагрузке, u_u подаются на усилители-ограничители 9 и 10, выходные напряжения которых подаются на формирователи крутых фронтов импульсов 11 и 12. Оба полученных напряжения u₁₁ и u₁₂, которые теперь являются логическими сигналами, подаются на узел 15, выделяющий промежутки времени, в течение которых осуществляется возврат энергии в сеть. Узел 15 состоит из двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 13 и 14. Блок 13 осуществляет сравнение напряжений u₁₁ и u₁₂, а блок 14 в свою очередь сравнивает выходное напряжение блока 13 и + U_ип. На выходе узла 15 получаем напряжение u₅, необходимое для управления блоком БВССРМ, высокий уровень которого соответствует промежуткам времени возврата реактивной энергии в сеть.

Из описания работы предлагаемого устройства электронного измерителя реактивной мощности следует, что благодаря использованию блока выделения составляющей сигнала реактивной мощности появляется возможность с высокой точностью осуществлять измерение реактивной мощности как при синусоидальных, так и при несинусоидальных режимах, в связи с тем, что при вычислении реактивной мощности, во-первых, осуществляется непосредственное перемножение мгновенных значений u и i в процессе возврата энергии в сеть, во-вторых, мгновенное значение сигналов u_i, и u_u не подвергается каким-либо дополнительным преобразованиям (например, прохождение через фазосдвигающее устройство и др.).

Кроме того, следует отметить, что, оперируя с мгновенными значениями u_i и u_u, а также получая мгновенное значение реактивной мощности, мы имеем, как известно [1] , более полную характеристику энергетических процессов в электрических цепях, что позволяет расширить область применения предлагаемого устройства по сравнению с известными.

Литература
1. Теоретические основы электротехники: Основы теории линейных цепей. Под ред. Ионкина. Учебник для электротехнических вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. -М.: Высш. школа, 1976. с. 190.

2. Электрические измерения: Учебник для вузов /Байда Л.И., Добротворский Н. С. , Душнин Е.М. и др.; Под ред. А В. Фремке и Е.М. Душнина. - 5-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергия. 1980. с. 118.

3. Техническое описание и инструкция по эксплуатации счетчика электрического трехфазного активной и реактивной энергии Ф441.

4. Авторское свидетельство СССР N 1567990, М.кл. G 01 R 21/06.

5. Авторское свидетельство СССР N 920550, М.кл. G 01 R 21/06.

6. Пейтон А., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. - М.: Бином, 1994. С. 254.

Формула изобретения

1. Электронный измеритель реактивной мощности, содержащий перемножающее устройство, к выходу которого подсоединен блок выделения составляющей сигнала реактивной мощности (БВССРМ), к выходу которого подсоединен блок выделения постоянной составляющей сигнала реактивной мощности (РМ), отличающийся тем, что в него дополнительно введены измерительный трансформатор напряжения и трансформатор тока, повторитель напряжения и схема управления БВССРМ для подачи управляющего напряжения на блок БВССРМ в моменты времени, когда напряжения, соответствующие мгновенным напряжениям на выходе трансформаторов тока, и напряжения, противоположные по знаку, причем один вход схемы управления БВССРМ подсоединен к выходу измерительного трансформатора напряжения, а другой к выходу трансформатора тока, выход схемы управления подсоединен к управляющему входу БВССРМ, блок выделения постоянной составляющей РМ соединен с повторителем напряжения.

2. Электронный измеритель реактивной мощности по п.1, отличающийся тем, что схема управления БВССРМ содержит инвертирующий усилитель, вход которого подсоединен к выходу трансформатора тока, а выход которого подсоединен к входу второго усилителя-ограничителя, выход которого подсоединен к входу второго формирователя крутых фронтов импульсов, вход первого усилителя, ограничителя подсоединен к выходу измерительного трансформатора напряжения, а выход первого усилителя-ограничителя подсоединен к входу первого формирователя крутых фронтов импульсов, выходы первого и второго формирователей крутых фронтов импульсов подсоединены к входам первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подсоединен к входу второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход которого подсоединен к управляющему входу БВССРМ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3