Преобразователь составляющих основной гармоники переменного тока в код

(2 С 4 (7 УДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ ДОМСТВО СССРСПАТЕНТ СССР) КОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ) Авторское свидетельство СССР 397843, кл. 6 01 й 19/06, 1988.Авторское свидетельство СССР 1485141, кл. 6 01 В 19/06, 1989, ) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОСТАВЛЙЮИХОСНОВНОЙ ГАРМОНИКИ ПЕРЕМЕНГО ТОКА В КОД) Изобретение относится к электроизметельной технике и позволяет повысить стродействие измерения синфазной и адратурнои составляющих основной гарники переменного тока за счет формироИзобретение относится к электроизмер тельной технике и предназначено для иси льзования в системах автоматического у равления промышленным электрооборуд ванием, например, регулирующими и к мпенсирующими устройствами, а также в и формационно-измерительных системах к нтроля и учета электроэнергии, выполн нных на основе микроЭВМ.Цель изобретения - повышение точнос и. при измерениях частоты измеряемого с гнала.На фиг, 1 приведена функциональная с ема преобразователя составляющих освной гармоники переменного тока в код; а фиг, 2 показана функциональная схемаока задержки; на фиг. 3 приведены вреенные диаграммы работы устройства,Преобразователь составляющих основой гармоники переменного тока в код со 03 М 1/60, 6 01 й 19/06 вания кодов, пропорциональных синфазной и квадратурной составляющим на скользящем интервале усреднения. Сигнал с выхода первичного преобразователя тока задерживается на время, равное периоду измеряемого тока, с помощью блока задержки и вычитается из сигнала, пропорционального измеряемому току, Разность умножается на опорные синусоидальный и косинусоидальный сигналы. Полученные произведения преобразуются в частотно- импульсные сигналы, Модулированные по частоте импульсы суммируются с помощью двух реверсивных счетчиков, на выхода которых при этом непрерывно формируются коды, пропорциональные синфазной и квадратурной составляющим основной гармоники тока. 1 з,п. ф-лы, 3 ил,держит первичный преобразователь напряжения 1, первый и второй функциональные преобразователи 2 и 3, первичный преобразователь тока 4, фильтр нижних частот 5, блок задержки 6, первый и второй блоки перемножения 7 и 8, вычитающее устройство 9, умножитель частоты 10, пороговый элемент 11, первый и второй пребразователи напряжение-частота 12 и 13, первый и второй реверсивные счетчики 14 и 15.В преобразователе составляющих основной гармоники переменного тока в код последовательно соединены первичный , преобразователь напряжения 1, фильтр нижних частот 5 и умножитель частоты 10, выход которого подключен к объединенным информационным входам первого 2 и второго 3 функциональных преобразователей и синхронизирующим входам первого 12 и второго 13 преобразователей напряжение 1837394частота, пороговый элемент 11 включен между выходом первичного преобразователя напряжения 1 и объединенными управляющими входами первого 2 и второго 3 функциональных преобразователей, выходы которых подключены к первым входам соответственно первого 7 и второго 8 блоков перемножения, вторые входы которых объединены и подключены к выходу вычита: ющего устройства 9, а выходы подключены к информационным входам соответственно первого 12 и второго 13 преобразователей напряжение-частота, первые и вторые входы которых подключены соответственно к суммирующему и вычита,:.щему входам первого 14 и второго 15 реверсивных счетчиков, выходы которых служат выходами устройства, выход первичного преобразователя тока 4 подключен к информационному входу блока задержки 6 и суммирующему входу вычитающего устройства 9, вычитающий вход которого соединен с выходом блока задержки 6, синхронизирующий вход которого соединен с выходом умножителя частоты 10.Блок задержки содержит компаратор 16; Регистр последовательного приюближения 17; первый и второй цифроаналоговые преобразователи 18 и 23; счетчик 19; оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 20; формирователь коротких импульсов 21; буферный регистр 22. В блоке задержки первый вход компаратора 16 служит информационным входом, второй вход соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя 18, а выход подключен к О-входу регистра последовательного приближения 17, С-вход которого служит синхронизирующим входом блока, а выход подключен к входу первого цифроаналогового преобразователя 18 и шине данных оперативного запоминающего устройства 20, шина адреса которого соединена с выходом счетчика 19, а выход подлключен к входу буферного регистра 22, С-вход которого соединен с выходом формирователя коротких импульсов 21, а выход соединен с входом второго цифроаналогового преобразователя 23, выход которого служит выходом блока, Я-вход регистра последовательного приближения 17, ИВ-вход ОЗУ 20, С-вход счетчика 19 и вход формирователя коротких импульсов 21 объединены и подключены к ЯЯ-входу регистра последовательного приближения 17.Преобразователь составляющих основной гармоники переменного тока в код работает следующим образом, Напряжение питающей сетио =. О зп ол,где Ом - амплитуда; ш- частота,поступает на вход первичного преобразователя напряжения 1, а с его выхода подаетсяна вход порогового элемента 11 и фильтра5 нижних частот 5, При этом выходной сигналпорогового элемента 11 имеет вид последовательности прямоугольных импульсовОе при о 10 (О1 Т/2);ц 11 =10 О при о 1 О (Т/21Т),где Ое = сопз 1 - напряжение, соответствующее уровню логической единицы.Назначение фильтра нижних частот 5состоит в подавлении высоко-частотных шу"5 мов, присутствующих, как правило, в спектре напряжения электрической сети.Параметры фильтра нижних частот 5 выбираются такими, чтобы он не вносил фазового сдвига для основной гармоники20 напряжения; Таким образом, выходной сигнал фильтра нижних частот 5 представляетсобой синусоидальное напряжение:05 = Ом 53 п бл.Сигнал с выхода фильтра нижних частот5 поступает на вход умножителя частоты наи 10, на выходе которого формируются импульсы 01 о, частота которых пропорциональная частоте питающей сети30 "0 ииТ(1)где и - коэффициент передачи умножителячастоты 10, и 2000/Т = 1/1 - период сети.Импульсы ойдо с выхода умножителя час 35 таты поступают на информационные входыпервого 2 и второго 3 функциональных преобразователей и синхронизирующие входыблока задержки 6 и первого 12 и второго 13преобразователей напряжение-частота.Измеряемый несинусоидальный ток(1) = ;мп(1)З 1 П(ГП йЛ - Ч в ) (2)и =1где гп - номер гармоники;45 мп(1) - амплитуда в-ой гармоники тока;Чп - фазовый сдвиг в-ой гармоникитокапреобразуется с помощью первичного преобразователя тока 4 в напряжение50 щ(1) = К 4(1),где К 4 - коэффициент передачи первичногопреобразователя тока 4,Сигнал оф) поступает на вход блока задержки 6, который задерживает напряже 55 ние ц 4(1) на время, равное периоду Тизмеряемого тока:Об(1) = О 41 - Т) = К 1 , 1 мп (1 - Т) ЗПГП аК 1- и =1- Т) - Ч т).18 раз па вы ва пр ди ко ко СО ци 3вало ра Щ ц 1 (1 ци н ст зо ко в с Щ в П У г в м Сигналы с выходов первичного преобвателя тока.4 и блока задержки б постут соответственно на суммирующий иитающий входы вычитающего устройст, на выходе которого формируется нажениец 9(1) ф ц 4(1) Цб(1) Ка(1) (1 ТИ3 ма(1) - 3 ма(1 - ТЗП(ПО 1- Ч П 1). (3).й=1Сигнал цд(1) поступает на вторые обьеенные входы первого 7 и второго 8 блоперемножения, на первых входахорых действуют напряжения с выходовтветственно первого 2 и второго 3 функнальных преобразователей.Функциональные преобразователи 2 иредставляют собой цифровые формироели опорных квазигармонических сигназ 1 пх и созх,Их работа происходит следующим обом, В моменты времени, соответствуюе положительным фронтам импульсов, т.е. в моменты, соответствующие началуО) каждого периода напряжения, функнальныке преобразователи 2 и 3 уставливаются выходным сигналомогового элемента 11 ц 11 в начальное сояние, Далее функциональные преобраатели 2 и 3 выполняют преобразованиеичества импульсов ц 10, поступающих схода умножителя частоты 10 на их инфорционные входы в кваэигармоническиегналы= Оез 1 п ы; (4)3 = ОеСОЗМ 1, (5)В результате опорные сигналы (4) и (5)ого синхронизированы с напряжениеми ц, а их частота совпадает с частотойти 1.Преобразование синфазной составляюй основной гармоники переменного токаод осуществляется следующим образом,рвый блок перемножения 7 выполняетножение сигнала ц 9(1) на опорный квазирмонический сигнал цг. В результате находе первого блока перемножения 7 форруется сигналц 7 = К 4 К 7 Я 1) - 1(1 - ТИОеЗпГ 01, (б)е К 7- коэффициент передачи первого блоперемножения 7.Сигнал 07 поступает на вход первогоеобразователя напряжение-частота 12 иеобразуется им в частоту 112 следованияпульсов.Преобразователь напряжение-частотапредставляет собой устройство синхронго типа. Среднее значение его выходнойстоты пропорционально входному напря.ению ц 7 и частоте тактовых импульсов ц 10,37394 6Фпоступающих с выхода умножителя частоты10:И " К 12110 ц 7(1) при ц 7(1)0; бг=5 112,- К 1211 оц 7(1) при ц 7(1) О,где К 12 - коэффициент передачи первогопреобразователя напряжение-частота 12.Если напряжение ц 7(1) О; то выходныеимпульсы первого преобразователя напря 10 жение-частота 12 формируются на его первом выходе (+), если ц 7(1)О, то на второмвыходе (-.). Импульсы с первого и второговыходов первого преобразователя напряжение-частота 12 поступают соответствен 15 но на суммирующий и вычитающий входыпервого реверсивного счетчика 14. В результате в момент времени 1, 1Т в первомреверсивном счетчике записывается число0 М 14 = Х(ц 12 ц 12) = К 12110 07(1)О 1, (7)где ц 7 и ц 12 - импульсы соответственнона первом и втором выходах первого преобразователя напряжение-частота 12, С учетом (1), (2), (3) и (б) выражение (7) имеет вид:2М 14= К 12 - 3 К 4 К 7 з 1 псо 1 1 мв(1) - Тс - Т в=1Фмй(1 - ТЦОе х 31 Р(п 1 ЙЛ - Ч гп) б 1 =ф30 =К 4 К 7 К 1 гпОе 1 м 1 созф 1 = Ксф 1 м 1 соз Ч 1, ( 8)12где 1 м 1 - среднее на скользящем интервале, времени значение амплитуды основной гармоники,Ксф = - К 4 К 7 К 12 ПОе - КОЭффИЦИЕНт ПЕРЕ 12дачи преобразователя по каналу синфазнойСостд ВЛЯ ЮЩЕЙ.Таким образом на выходе первого реверсивного счетчика 14 непрерывно форми 40 руется код(8), пропорциональный среднемузначению синфаэной составляющей основной гармоники за период измеряемого тока.При этом знак записанного числа опереляется значением старщего разряда счетчика45 14: положительному значению соответствует О, отрицательному 1,Преобразование квадратурной составляющей основной гармоники переменноготока в код осуществляется следующим обра 50 зом. Второй блок перемножения 8 выполняет умножение сигнала ц 9(1) на опорной,квазигармонический сигнал цз. В результа"те на выходе второго блока перемножения8 формируется сигнал,55 ца(1) = КаКвРЯ (1 - Т)1 Оесоз йл, (9)где Ке - коэффициент передачи второго блока перемножения 8.Сигнал . ц 8(1) поступает на вход второгопреобразователя напряжение-частота 13 ипреобразуется им в частоту следования импульсов113 = К 1311008(1) при 08(1)О; т 13 = 81 пф 1= Кп 1 м 181 п %, (11) 4 КВК 13 п 1 м где Ккв = - К 4 КВК 1 зпОе - коэффициент пере 1дачи преобразователя по каналу квадратурной составляющей,Таким образом на выходе второго реверсивного счетчика 15 непрерывно формируется код (11), пропорциональный среднему значению квадратурной составляющей основной гармоники переменного тока. Знак записанного числа определяются значением старшего разряда второго реверсивного счетчика 15; положительному значению соответствует О, отрицательному 1.аБлок задержки работает следующим образом, Компаратор 16, регистр последовательных приближений 17 и первый цифроаналоговый преобразователь 18 представляют собой аналого-цифровой преобразователь последовательных приближений с помощью которого входной аналоговый сигнал ц 4 преобразуется в код М 17 на выходе регистра последовательных приближений 17. Код с выхода регистра 17 записывается в ОЗУ 20, Запись стробируется сигналом "конец преобразования" (3 Я) регистра 17. Адрес ОЗУ 20 формируется двоичным счетчиком 19, на С-вход которого поступает сигнал "конец преобразования" (ЯВ) с выхода регистра 17. После записи нового значения кода в ОЗУ 20 происходит приращение адреса и запись в буферный 013 = К 1301 о цв(с) при ав(1)О, где К 1 з - коэффициент передачи второго преобразователя напряжение-частота.Импульсы с первого (+) и второго (-) выходов второго преобразователя напряжение-частота 13 поступают соответственно на суммирующий и вычитающий входы второго реверсивного счетчика 15. В результате в момент времени 1, сТ, во втором реверсивном счетчике записывается число.1 И 15 = Е(013 - 0133 К 13 г 1 оо 8 гй)Ф, (10)т - Т где о 13, щз - импульсы соответственно на первом и втором выходах первого преобразователя напряжение-частота 13,С учетом (1), (2), (3) и (9) выражение (10) имеет вид: п1 00 К 15 = К 13 - 1 К 4 КвсОЗО)С11 мгп(т) - -1 мгп(Сс - Т в=1 - Т)Ое х в 1 п(гп ол - Ч4 с 11регистр 22 по стробирующему сигналу с формирователя коротких импульсов из ОЗУ 20 кода, записанного 2 - - 1 тактов ранееМ(М- разрядность счетчика адреса 19), Код с выхода буферного регистра 22 транслируется на второй цифроаналоговый преобразователь 23, на выходе которого формируется аналоговый сигнал, задержанный относительно входного на 2 тактов.Длительность задержки с учетом (1) определяет ся соотношением 510 Т =2 - (К+1) = и 1 01 о, (12) где К - разрядность кода на выходе регистра15 тва выбрать т Если параметры устким образом, что2 К+1 20ито в соответствии с выражением (12) величина задержки Тз строго равна периоду сетиТ, = Тс и не зависитот изменений частотысети.В результате преобразование синфазной и квадратурной составляющих основной гармоники переменного тока в код впредлагаемом устройстве осуществляетсяцифровым интегрированием произведения30 сигнала, пропорционального разности ф) -ф - Т), на опорные синусоидальный и косинусоидальный сигналы на скользящем интервале усреднения, равном периодуизмеряемого тока,При этом устройство имеет повышенную точность при изменениях частоты измеряемого тока за счет поддержанияинтервала интегрирования и величины задержки равными периоду тока,40, Формула изобретенияПреобразователь составляющих основной гармоники переменного тока в код, содержащий последовательно соединенныепервичный преобразователь напряжения,45 фильтр нижних частот и умножитель частоты, выход которого подключен к информационным входам первого и второгофункциональных преобразователей и синхронизирующим входам первого и второго50. преобразователей напряжение-частота, пороговый элемент, включенный между выходом первичного преобразователянапряжения и управляющими входами первого и второго функциональных преобразователей, выходы которых подключены кпервым входам соответственно первого ивторого блоков перемножения. выходы которых соединены с информационными входами первого и второго преобразователейнапряжение-частота, первичный преоб1837394 висв о ос дэователь тока, вход которого и вход перчного преобразователя напряжения являтся соответственно первой и второй одными шинами, первый и вторОй ревер- .вные счетчики, выходы которых являются 5 ответственно первой и второй выходныи шинами, отл и ч а ю щи й с я тем, что, с елью повышения точности при измененичастоты измеряемого сигнала, в него ввеены блок задержки и вычитающее 10 тройство, а первый и второй преобразовали напряжение-частота выполнены двухолярными, информационный вход. блока держки подключен к выходу первичного реобразователя тока, синхронизирующий 15 од - соединен с выходом умножителя чаоты, а выход подключен к вычитающему оду вычитающего устройства, суммируюий вход которого подключен к выходу перчного преобразователя тока, а выход 20 единен со вторыми входами первого ирого. блоков перемножения, первые и орые выходы первого и второго преобравателей напряжение-частота подключены ответственно к суммирующему и вычита щему входам первого и второго реверсивых счетчиков,2, Преобразователь по и. 1, о т л и ч а юи й с я тем, что блок задержки выполнен а регистре последовательного приближе- ЗО ния, оперативном запоминающем устройст- - ве, счетчике, буферном регистре, формирователе коротких импульсов, первом и втором цифроаналоговом преобразователе и компараторе, первый вход которого является информационным входом блока, второй вход соединен с выходом первого цифроаналогового преобразователя а выход подключен к информационному входу регистра последовательного приближения, синхронизирующий вход которого является синхронизирующим входом блока, а выходы подключены к входам первого цифроаналогового преобразователя и входам данных оперативного запоминающего устройства, входы адреса которого соединены с выходами счетчика, а выходы подключены к информационным входам буферного регистра, синхронизирующий вход которого подключен к выходу формирователя коротких импульсов, а выходы соединены со входами второго цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом блока, вход записи регистра последовательного приближения, вход записи оперативного запоминающего устройства, счетный вход счетчика и вход формирователя коротких импульсов объединены и подключены к выходу конец преобразования регистра последовательного приближения.1837394 О РТиуе вспы Рог.зСоставитель С,МалафеевТехред М.Моргентал Корректор М,К еда Т СССР Производственно-издательский комбинат "Патент" жгород, ул,Гагарина, 10 Заказ 2871 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям и113035, Москва. Ж.35, Ра шская наб 4/5