Устройство для измерения параметров трехфазной сети

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫ ЕТЕНИ 4 -твующивига нии илиБюл, 1 Ф 6 электродинамик синский, Н.А.Ру вляющих.точно(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕТРОВ ТРЕХФАЗНОЙ (57) Изобретение рительной техникеА ИДЕТЕЛЬСТВ 9) 01)1) 4 С О 1 К 29/16 пользовано для измерения деи значений и начальных углов с фаз фазных (линейных) напряж токов и их симметричных сост Цель изобретения - повышение сти и расширение функциональ можностей устройства. Для до ния поставленной цели в устр введены источник 19 опорных ний, переключатель 11, цифро вые преобразователи 13, 14, сумматоры 7, 8, аналого-циФр преобразователи 16, 17, деши 25 адреса, управляемый фазов тель 20. Устройство также сод масштабные преобразователи 11307396 25 30 35 сумматоры 4, 5, 6, масштабно-суммирующий блок 9, переключатель 10, цифроаналоговый преобразователь 12, трехфазный источник 18 опорных напряжений, блок 21 синхронизации, пульт 22 управления, постоянный запоминающий блок 23, вычислительный блок 24, регистр 26, блок 27 индикации, В состав управляемого фазовращателя 20 входят фазовращатель 36Она 90 , цифроаналоговый преобразователь 37 и сумматор 38. В состав источников 18, 9 опорных напряже 1Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения действующих зна-чений и начальных углов сдвига фазФазных (линейных) напряжений или токов и их симметричных составляющих.В частности изобретение может бытьиспользовано для измерения показателей качества электрической энергии(отклонение напряжения коэффициентовнесимметрии и неуравновешенности напряжений трехфазной сети).Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей устройства путемизмерения углов сдвига фаз высшихгармоник относительно нуль-переходовпервой гармоники,На фиг. 1 представлена структурнаясхема устройства; на фиг, 2 - векторная диаграмма, поясняющая принцип работы устройства.Устройство содержит масштабныепреобразователи 1-3 аналоговые сум.маторы 4-8 и масштабно-суммирующийблок 9, которые в целом образуют масштабно-суммирующий преобразователь,переключатели 10, 1, цифроаналоговые преобразователи 12-15, аналогоцифровые преобразователи 16, 17,трехфазные источники 18, 19 опорныхнапряжений, управляемый фазоВращатель 20, блок 21 синхронизации, пульт22 управления, постоянный запоминающий блок 23, вычислительный блок24, дешифратор 25 адреса, регистр26 и блок 27 индикации. ний входят цифроаналоговые преобразователи 28-35. Блок 21 синхронизации содержит умножитель 39 частоты, счетчик 40, шинный Формирователь 41 и элемент 42 задержки. Вычислительный блок 24 содержит микропроцессор 43, запоминающий блок 44, блок 45 местного управления, запоминающий блок 46 микрокоманд, генератор 47 импульсов, триггер 48, элемент И 49, Также в состав устройства входят шина 50 данных, шина 51 констант, шина 52 адреса и шина 53 управления.2 ил. В состав источников 18, 19 опорных напряжений входят цифро-аналоговые .преобразователи 28-35, В составуправляемого фазовращателя 20 вхо дят фазовращатель 36 на 90 , цифроаналоговый преобразователь 37 и аналоговый сумматор 38. В состав блока21 синхронизации входят умножитель39 частоты, счетчик 40, шинный фор О мирователь 41 и элемент 42 задержки.Вычислительный блок 24 содержит микропроцессор 43, запоминающий блок44, блок 45 местного управления, постоянный запоминающий блок 46 микрокоманд, генератор 47 импульсов, триггер 48, элемент И 49. Обмен информацией между блоками устройства осуществляется по шине 50 данных, шине 51констант, шине 52 адреса и шине 53управления. Входные шины Фаз А, В, С через масштабные преобразователи 1-3 подключены к первым входам сумматоров 4-6 соответственно, Вторые входы сумматоров 4-6 подключены к выходам источника 18 опорных напряжений, а именно к выходам цифроаналоговых преобразователей 28-30, третьи входы сумматоров 4-6 подключены к выходам источника 18 опорных напряжений, а именно к выходам цифроаналоговых преобразователей 32-34, Выходы сумматоров 4-6 соединены с соответствующими контактами переключателей 1 О, 11, а также с входами масштабно-суммирующего блока 9, выходы которого3 также соеди 11 е 11 ы с контактами 11 ерек)1 к)чателей 1 О,1,1 10 15 20 Положения переключателей 10, 11 (начиная сверху по чертежу) соответствуют режимам измерения гармоник 5 фаз А, В, С и гармоник прямой, обратной и нулевой последовательностей, а положения переключателя 11 соответствуют выбору опорного Вектора первой гармоники фаз А, В, С или прямой последовательности.Выходы переключателя 10 через цифроаналоговые преобразователи 12, 13 и сумматор 8 связаны с входом аналого-цифрового преобразователя 16, а выходь 1 переключателя 11 через цифроаналоговые преобразователи 14, 15 и сумматор 7 связаны с входом аналого-цифрового преобразователя 17. Выход масштабного преобразователя 1 через последовательно соединенные фазовращатель 36, цифроаналоговый преобразователь 37 и сумматор 38, второй вход которого объединен с входом фазовращателя 36, связан с входом умножителя 39 частоты, выход которого соединен со счетным входом счетчика 40 и входами запуска аналого-цифровых преобразователей 16, 17, а через элемент 42 умно 30 житель 39 частоты соединен с входом запуска вычислительного блока 24, а именно с входом установки в "1" триггера 48, Умножитель 39 частоты включает цепь фазовой подстройки частоты, поэтому его второй вход соединен с выходом старшего разряда счетчика 40, выходы которого подключены к шинному формирователю.40Выходы аналого -цифровых преобразователей 16, 17, выходы шинного формирователя 41, первые информационные входы источников 18, 19 опорных напряжений, информационные входы пульта 22 управления, информационные входы и выходы вычислительного блока 24, адресные шины постоянного запоминающего блока 23, информационные Входы упраВляемого фазоВРаща 50 теля 20, входы регистра 26 объединены между собой и образуют шину 50 данных, Выходы постоянного запоминающего блока 23 образуют шину 51 констант и подключены к информационным входам цифроаналоговых преобразователей 12-15 и к вторым информационным входам источников 18, 19 опорных напряжений, Шина 52 адреса вычислиГВП 1111) 1 х) б) (ок 1 2 Ч 1 Р ) 6. 3 Е 1 гН ц(1)1) Л 11) )25 связана с. шиной 53 У 11 ранлеиия, которая подключена к Входам сиихроцзации занесения информации цифроаналоговых преобразователей 12-15, 2835, 37 и регистра 26 и к входам опроса аналого-цифровых преобразователей 16, 17, пульта 22 управления иблока 21 синхронизации (вход управления шинным формирователем 41) . Выходырегистра 26 соединены с блоком 27индикации,В вычислительном блоке 24 выходыблока 45 местного управления подключены к адресным шинам постоянного запоминающего блока 46, выходы которогов виде шин связаны с входами управления микропроцессора 43, блока 45местного управления, образуют шину52 адреса, которая подключена к адресным шинам запоминающего блока 44и дешифратора 25. Отдельный выходблока 46 соединен с входом установ 11 1ки 0 триггера 48. Установка сигнала переноса на входе младшего разряда микропроцессора 43 и выдача сигнала переноса старшего разряда из микропроцессора 43 в блок 45 местногоуправления осуществляется по шинам,связывающим эти блоки. Выход генератора 47 через элемент И 49, другойвход которого подключен к выходутриггера 48, соединен с входами синхронизации микропроцессора 43 и блока 45 местного управления.В источниках 18, 19 опорных напряжений, которые имеют одинаковуюструктурную схему, выход цифроаналогового преобразователя 31 (35 подключен к аналоговым входам цифроаналоговых преобразователей 28-30 (3234), а на аналоговый вход цифроаналогового преобразователя 31 (35) подается опорное напряжение Ц.Устройство работает следующимобразом,При помощи источника 18 задаютсистему опорных напряжений с управляемой амплитудой А и начальной фазой с.(начальная фаза для симметричной системы напряжений определяется по напряжению фазы А), частотакоторого соответствует частоте измеряемой К-й гармоники, номер которой задается пульту 22 управления,Эта система напряжений образует Б-юпоследовательность, номер которойзадается пульту 22 управления (Б1307396 принимает значения О, 1, 2 для напряжений нулевой, прямой и обратнойпоследовательностей соответственно).При помощи источника 19 задаетсясистема опорных напряжений прямойпоследовательности основной частоты,Входной сигнал Б поступает на входуправляемого фазовращателя 20Вфазовращателе 36 он сдвигается нао90 и поступает на аналоговый вход 10цифроаналогового преобразователя37, в который из блока 24 заноситсякоц ь(, . Напряжение Бд и выходноенапряжение цифроаналогового преобразователя 37, равное Зад 61,суммируется в сумматоре 38. Изменяя кодЩ, можно регулировать фазу выходного напряжения управляемого фазовращателя 20 Щ,+10 ьд,), которая равна аргументу комплексного числа (1+ 20+ьд,). Приведенная схема управляемого фазойращателя 20 позволяетсдвигать фазу напряжения на входеблока 21 синхронизации в диапазонеот -45 до +45 , Выходной сигнал управляемого фазовращателя 20 в моментперехода через нулевой уровень запускает умножитель 39 частоты,Умножитель 39 частоты генерируетимпульсы, период следования которыхравен Т/М, где Т - период входныхнапряжений; И - коэффициент умножения частоты. Выходные импульсы умножителя 39 поступают на входы запуска аналого-цифровых преобразователей 3516, 17, на счетный вход счетчика40, емкость которого равна М, и навход элемента 42 задержки, которыйчерез интервал времени, несколькопревышающий время преобразованияаналого-цифровых преобразователей16, 17, формирует сигнал, запускающий блок 24, Выходной код Я счетчика 40 через шинный формирователь 41и шину 50 данных (при условии опроса формирователя 41) может быть занесен в вычислительный блок 24, гдекод 0 используется для управленияветвлением программы. 2 . 2 И30 Пд =А я 1 пи; Б =А ядп (п- -)11 в"М 3 2 И(и+ )фБ 32 1- (пК+Чк) 13 =Ц яп шЧк Цкяп 27 ЯХБ =А ядп (пК+й + ) 40 1" 3где А А к - амплитуды опорных напряжений первой и К-й гармоник, коды которых занесены в цифроаналоговые 45 преобразователи 35, 31соответственно;Ч - начальная фаза опорногонапряжения Б К-й гарДКмоники.50 Соответственно, в цифроаналоговыепреобразователи 32-34, 28-30 заносятся коды синусов., определяемые выражениями (1). Для этого в блоке 24определяются коды текущих фаз 4которые поступают на адресные шиныблока 23, а с его выхода снимаются27коды яп (, , которые по сигналам Как уже указывалось, умножитель 39 включает цепь фазовой подстройки частоты. Для этого выход старшего разряда счетчика 40 соединен с вторым входом умножителя 39. В этом случае выходные сигналы счетчика 40 жестко связаны по фазе с входным сигналом блока 21 синхронизации, а з позволяет избежать фазовый набег при любом изменении частоты входного сигнала блока 21.Входные. фазные напряжения 11, П , П суммируются в сумматорах 4-6 с выходными напряжениями источников 18, 19 опорных напряжений 1, Бд в 1 Бс и Цьэ Бвк иск, причем выходные напряжения источников 18, 19 формируются таким образом, чтобы они были в противофазе с напряжениями соответствующих гармоник фазных напряжений. Напряжения Ц, УП, образуют прямую последовательность напряжений основной частоты, а напряжения Бдк П , Б к образуют 8-ю последовательность напряжений К-х гармоник, Номер измеряемой последовательности 8 и номер гармоники К задаются на пульте 22 управления. Коды Б и К через шину 50 данных могут быть занесены в блок 24 при опросе пульта 22 управления.Выходные напряжения источников 18, 19 представляют собой "ступенчатые" синусоиды, мгновенные значения которых в интервале времени, когда происходит и -й запуск аналого-цифровых преобразователей 16, 17, п=0,1, 11-1 определяются выражениями: 27 ЯИУ =А я 1 п(пК+ (д -- -)вк к1 на входах синхронизации занесения(41 информации заносятся в регистры соответствующих цифроаналоговых преобразователей.Выходные напряжения сумматоров 4-6, равные Ь 1,=0-0 д,-Ц; ЬПв=П-и -П; с с с скат поступают на входы маснтабно-суммирующего блока 9, который суммирует их с определенными весовыми коэффициентами. Выходные напряжения блока 9 равны: 1 1 1 Б = - ЬБЬБ -- ЬБ 3 д 6 5 6 сф 43 -ГЗ ГЗ ГЗ Б =ЬП -Ь 1 Б = -ЬБ + - Ьв 6 с 3 6 в 6 сх 1 1 1 Б = - ЬБ+- ЬБ+ - ЬП,4 3 д 3 в 3При помощи переключателей О, 11 выбирается режим работы устройства.На входы цифроаналоговых преобразователей 14, 15 подаются пары напряжений (П , Цв, ), равные (ЬПд, Й ),У 51 х д25 (Ьц, О), (ЬБ, О), Щ, Б ) при выборе в качестве опорного вектора напряжений первой гармоники фаз А, В, С или напряжения прямой последовательности основной:частоты соответственно. На входы цифроаналоговых преобразователей 12, 13 подаются пары няпряжений (Б 5 ч х 115 м )Ф равные (ЬПд, О), (ЬБ 6, О), (ЬНс, О), (П, Б ), (П Пв), (Б 4, О) при измереВыходные коды преобразователей 1, 16 через нину 50. данных поступают в микропроцессор 43, где они суммируются соответству ющим образом с содержимым ячеек ЬЪ Ьа ЬЪ, да, которые выводятся в микропроцессор 43 из блока 44. В этих ячейках хранятся частичные суммы, необходимые для определения синус 5 р ных и косинусных составляющих нескомпенсированных напряжений опорного вектора измеряемой гармоники. В конце периода входных напряжений величины ЬЪ Еа ЬЪ, Ьа равны: 55.сл,и.гп-.1 в",и- "(5) ЬЪ=Х;да= 2.: Х,нии г и рГй ник ни и викп 1 й Р 1 л: Д .С или гармоник н Зпряхений иПм(й Об 1 Я тной или ну.пе Бой пос Р,го атель ностей.Напряжения, равные нулю, ня выходах цифроаналоговых преобразователей 13, 15 задаются путем подключения входов этих блоков через переключатели 10, 11 соответственнс: к общему проводу.В интервале времени, когда происходит и -й запуск аналого-цифроого преобразователя 16, 17 в цифроаналоговые преобразователи 12-15 соответственно заносятся коды2 й 2 ив 1 и -- (Ки+ ср); в.и (Ки+с- в 1 ии; яи - (г, - -); если но, и коды я 1 и . (РлЦ+ ),2 3 х(Ки+ ср ); яи - (и+ - ); в 1 иИ 4 если и нечетно,Таким образом, напряжения ПвииПвхю Пяк УмножЯются на УкЯЗЯнныевеличины тригонометрических функций,Выходные напряжения цифроаналоговыхпреобразователей 12, 13 и 14, 15 попарно суммируются в сумматорах 7, 8и преобразуются в аналого-цифровыхпреобразователях 16, 17 в коды, которые вследствие выне сказанного после И -го запуска аналого-цифровогопреобразования равны: ются для определения новых значений амплитуд опорных напряжений А 1, А, начальной фазы Чи угла сдвига фазы Ьсд , вносимого управляемым фазовращятелем 20. Поясним, как определяются эти величины на примере векторной диаграммы (фиг. 2).Пусть после некоторого -го цикла работы устройства вектор напряжения первой гармоники Б 1, (безразлично Фаэного напряжения или напряжения прямой последовательности) сдвинут на угол Щ относительно вектора опорного напряжения А .источника 19 опор 11ного напряжения (напомним, что начальная фаза опорного напряжения первой гармоники принята равной нулю, поэто1(, и А,рмулы 6)тому,то векторы 11 к практически с довольно громоизбежать вычигенса и корня чтобы рктанжно во 55 ления ци о,атн к енными зависим пользоваться пр тями: му вектор А,лежит на действительнойоси); вектор напряжений К-й гармоникиЦ, (также безразлично фаэного напряжения или симметричной составляющей) сдвинут на угол бцотносительно-вектора опорного напряженияА источника 1 8, начальная фаза которого относительно нуль-переходаопорного напряжения первой гармоникиравна ц, . В результате обработки в блоке 24 выходных кодов АЦП в соответствии с формулами (5) определяются величины бЬ., ба, которые равны проекциям вектора (Ц;-А) на действительную или мнимую оси, и величины бЬ, ба, которые равны проекциям вектора (Ов -А) на ось, совпадающую по направлению с вектором А, и на ось, перфпендикулярную направлению вектораА . В блоке 24 вычисляются новые к(ения А Р А .к и(Т+( та ким образом, чтобы в следующем (1.+ +1)-м цикле работы устройства векопорных напряжений А А,+( максимально приближались к векторам П , 0+(. Так как направление век- ,И , 1 г(+(тора А, не изменяется в системе от 1 гсчета устройства, то изменение угла сдвига фазы, вносимого фазовращателем 20, на величину б, приводит к повороту вектора напряжения О. на величину Щ, относительно вектора 6, , а вектора напряжения 11, - на величину К Щ, относительно вектора 11 , Иэ геометрических построенийк(на фиг, 2 следует, что если новые значения указанных величин, с учетом того, что значения синусов в блоке 23 определены для углов, кратных 2/И, будут в блоке 24 определены по формулам: И ба; б 9 =агсйо - ц --В этом случае процесс уравновешивания напряжений 11 и Б выполняется за несколько циклов, т.к. формулы(7) практически совпадают с (6)только при малых значениях ба ЕЬ 15, ба, бЬ. Однако после уравновешивания устройство отслеживает все изменения параметров входных напряжений и применение упрощенных формул(7) практически не ухудшает быстродействия устройства. Указанные величины малы только тогда, когда в системе напряжений на выходах сумматоров 4-6 напряжения прямой последовательности основной частоты и напряжение В-й последовательности К-х гармоник равны нулю или в случае измерения параметров однофазного напряжения напряжения первой и К-й гармоникв выбранной фазе равны нулю. Это возможно только при совпадении векторовнапряжений Б, и А, 0 и А, Результат измерения - амплитуда А или начальная фаза (Р,( - заносится в регистр26 и индицируется блоком 27.Формула и з о б р е т е н и я Устройство для измерения параметров трехфазной сети, содержащее три масштабных преобразователя, три сумматора первые входы которых через соответствующие масштабные преобразователи соединены с входными шинами,масштабно-суммирующий блок, входы которого подключены к выходам первого, второго и третьего сумматоров,первый переключатель, входы которого соединены с соответствующими выходами масштабно-суммирующего блока,первый цифроаналоговый преобразователь, вычислительный блок, пульт управления, постоянный запоминающийблок, первый источник опорных напряжений, выходы которого соединены свторыми входами первого, второго итретьего сумматоров соответственно,блок синхронизации, блок индикации,который через регистр соединен с шиной данных, которая также подключенак входам 10 стоянно ГО запоминаюе ГО блока, к первым информационным входам первого источника опорных напряжений и к инАормационным выходам вычислительного блока, причем вторые инАормационные входы первого источника опорных напряжений и информационные входы первого циАроаналогового преобразователя присоединены к выкодам постоянного запоминающего бло- Ю ка, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введены второй источник опорных напряжений, 5 второй переключатель, второй, третий и четвертый циАроаналоговые преобразователи, четвертый и пятый сумматоры, первый и второй аналого-циАровые преобразователи, дешифратор адреса и д управляемый Аазовращатель, вход которого подключен к выходу первого масштабного преобразователя, а выход к первому входу блока синхронизации, при этом другие входы первого пере ключателя подключены к входам масштабно-суммирующего блока, а выходы первого переключателя через первый и второй цифроаналоговые преобразователи соединены с входами четвертого Зо сумматора, Выход которого подключен к входу первого аналого-циФрового преобразователя, входы второго переключателя подключены к соответствующим входам и выходам масштабно-сум 35 мирующего блока, а выходы второго переключателя через третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи соединены с входами пятого сумматора,выход которого подключен к входу второго аналого-циАрового преобразователя, информационные иходы первоГОи второго аналого-циФровых преобразователей, пульта управления и блокасинхронизации соединены через шинуданных с первыми инАормационными входами второго источника опорных напряжений, с информационными входамиуправляемого фазовращателя и с информационными входами и выходами вычислительного блока, а вторые информационные входы второго источника опорных напряжений и инАормационные входы второго, третьего и четвертогоаналого-цифровых преобразователейприсоединены к выходам постоянногозапоминающего блока, соответствующиевыходы второго источника опорных напряжений соединены с третьими входами первого, второго и третьего сумматоров, кроме этого, входы запускапервого и второго аналого-цифровыхпреобразователей объединены и подключены к первому выходу блока синхронизации, второй выход которогосоединен с входом запуска вычислительного блока, шина адреса которогочерез дешифратор адреса соединена свходами синхронизации занесения инАормации в первый и второй источники опорных напряжений, в первый, второй, третий и четвертый цифроаналоговые преобразователи, в управляемыйАазовращатель и регистр и с входамиуправления опросом первого и второго аналого-цифровых преобразователей,пульта управления и блока синхронизации.1307396 оставитель Н.Михалевехред. Л.Олейник Корректор Л.Пилипен Редактор М.Цитк каз 1629/46 Ти В ород, ул. Проектная оизводственно-полиграфическое предприятие, г НИИПИ Государств по делам изобре3035, Москва, 11(-35,Подписиного комитета СССРний и открытийущская наб., д. 4/5