Устройство аналогового датчика коэффициента мощности

Авторы патента:


 

Устройство аналогового датчика коэффициента мощности относится к устройствам измерительной техники и может быть применено в качестве датчика коэффициента мощности, где в канале измерения тока, при любой его форме, за счет двух последовательно включенных активных фильтра низких частот второго порядка с нулевым смещением и фильтра высоких частот выделяется переменная составляющая напряжения первой гармоники, затем это напряжение в одном канале сдвигается по фазе и подается на компаратор, в другом канале на компаратор напряжение подается без сдвига по фазе, с обоих компараторов разнополярные прямоугольные импульсы нормализуются в положительные и подаются на исключающее ИЛИ, с которого короткие импульсы, соответствующие фазе тока, подаются на базу транзистора импульсно - фазового преобразователя. В другом канале переменное напряжение подается на компаратор, с которого прямоугольные разнополярные импульсы подаются на интегратор, с интегратора напряжение треугольной формы поступает на два последовательно включенных активных фильтра низких частот второго порядка с нулевым смещением, а затем на фазовращатель, с которого получают эталонное напряжение, которое выпрямляется прецизионным выпрямителем и затем подается коллектор транзистора импульсно - фазового преобразователя. Выход импульсно - фазового преобразователя подключается к фильтру постоянного тока, затем после инвертирования к измерительному прибору.

Полезная модель относится к устройствам измерительной техники и может быть применена в качестве датчика коэффициента мощности при автоматизации и телемеханизации параметров узла нагрузки системы электроснабжения.

Коэффициент мощности является одной из основных энергетических характеристик потребителей электрической энергии.

Датчик коэффициента мощности необходим также для более точного контроля и регулирования температуры индукционных нагревательных установок.

В промышленности и особенно для привода центробежных насосов при добыче нефти все больше применяются частотно-регулируемые электроприводы. Частотные преобразователи выполняются с промежуточным звеном постоянного тока - это либо диодные выпрямители, либо тиристорные преобразователи. Ток фазы первичной обмотки силового трансформатора носит импульсный характер с паузами, прямоугольные разнополярные в двухтактных и прямоугольные однополярные в однотактных (трехфазная нулевая) схемах выпрямления. Это вызывает проблемы в измерении коэффициента мощности. Для конструирования датчика целесообразно выделить из импульсов тока первую гармонику. Кроме точности величины сигнала, к датчику предъявляется требование высокого быстродействия, линейности выходных характеристик при допустимом коэффициенте пульсаций выходного напряжения, что достигается максимальным использованием полезного сигнала в каждый полупериод синусоиды с частотой 100 Гц.

В источнике аналога (А.Ю. Бальзамов, А.Н. Поливцев, Однофазный измеритель коэффициента мощности. «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева». E-mail: mailto:balsamovau@mrsu.ru) приводится описание разработанного прибора, структурная схема которого изображена на рис. 1.

«В качестве основы для построения измерительной части прибора удобно использовать специализированную микросхему ADE7753 фирмы Analog Devices - прецизионный электросчетчик с двумя 16-разрядными АЦП с частотой дискретизации 894 кГц и последовательным интерфейсом SPI, содержащий все схемы обработки сигналов, необходимые для измерения действующих значений напряжения и тока, периода, активной, реактивной и полной мощности, детектирования пересечения нуля и пиковых значений напряжения и тока. Все полученные значения сохраняются во внутренних регистрах микросхемы. ADE7753 может работать с различными типами датчиков тока, включая низкоомные шунты и трансформаторы тока. Кроме того, встроенный цифровой интегратор позволяет работать с дифференцирующими токовыми датчиками типа катушек индуктивности Роговского. Этот непосредственный интерфейс устраняет необходимость применения аналогового интегратора, позволяя обеспечить долгосрочную стабильность параметров и точное согласование фазы между каналами измерения напряжения и тока. В зависимости от типа используемого токового датчика интегратор может быть подключен или отключен. На основе данных, полученных от измеряющей микросхемы, можно рассчитывать коэффициент мощности и производить анализ энергетических процессов, происходящих в сети.

Выпускается микросхема ADE7753 в 20-выводном SSOP-корпусе.

В качестве управляющего микроконтроллера, ответственного за все вычислительные операции был выбран популярный AVR-микроконтроллер AT90S2313 фирмы Atmel с 2 Кб загружаемой флэш-памяти, 128 байтами EEPROM и 15 линиями ввода/вывода общего назначения.

Еще один важный узел разрабатываемого цифрового измерителя коэффициента мощности - индикатор для вывода результатов измерения. Выбор пал на четырехстрочный цифробуквенный жидкокристаллический модуль МТ-20S4M российской фирмы МЭЛТ, состоящий из БИС контроллера управления и ЖК-панели.

Сигналы, пропорциональные значениям напряжения и тока в сети, поступают через датчики тока и напряжения на входы микросхемы-преобразователя ADE7753. После оцифровки все дальнейшие преобразования сигнала, такие как перемножение и фильтрация, происходят с сигналом в цифровом виде. Такой подход обеспечивает очень высокую стабильность и точность при предельных значениях параметров окружающей среды и в течение длительного времени.

Микроконтроллер читает содержимое внутренних регистров микросхемы ADE7753 по SPI-интерфейсу и обрабатывает полученную информацию для получения значений семи основных параметров электроэнергии. После того как микроконтроллером завершена обработка данных, полученных от микросхемы ADE7753, вычисленные значения выводятся на жидкокристаллический индикатор».

Недостатками аналога являются: отсутствие аналоговых выходных сигналов и невозможность применения в системах автоматического управления, отсутствие информации о точности работы устройства измерения в случае прямоугольных однополярных импульсов тока в цепи однотактного выпрямителя.

В источнике прототипа (Бенин В.Л. и Кизилов В.У. Статические измерительные преобразователи электрической мощности. М. «Энергия», 1972.) приводятся схемы, принцип действия и аналитические выводы преобразователей мощности с синусоидальным опорным напряжением, использующие свойства тригонометрических функций (стр. 47-53).

«На рис. 2а (сканированная копия) управление транзистором Т1 осуществляется разностью постоянного тока I2 и выпрямленного синусоидального тока , транзистор открыт в течение интервала времени, когда . Транзистор Т1 является ключевым элементом амплитудного модулятора, питаемого выпрямленным синусоидальным напряжением , которое пропорционально току в измеряемой цепи. На рис. 2(б-д) приведены кривые наиболее характерных напряжений и токов в приведенной схеме множительно-делительного устройства при условии, что напряжения u1 и u3 синусоидальны и сдвинуты по фазе на угол ».

Далее приводится аналитическое доказательство, что среднее напряжение uH на резисторе rH (рис. 2d) пропорционально активной мощности в измеряемой цепи.

На рис. 3 (сканированная копия) приведена принципиальная схема преобразователя на основе множительно-делительного устройства, изображенного на рис. 2.

На схеме первичными датчиками являются трансформатор тока ТТ, нагрузкой которого является активное сопротивление rT, и трансформатор напряжения ТН, с первой вторичной обмотки которого напряжение выпрямляется выпрямителем В2 и фильтруется цепью r2, с2 , с второй вторичной обмотки напряжение поступает на базы транзисторов Т2, Т3 для создания прямоугольных импульсов во вторичной обмотке трансформатора ТМ. Генератор прямоугольных импульсов питается напряжением U0 от стабилизатора напряжения CH. Переменное напряжение прямоугольной формы u M с вторичной обмотки ТМ преобразуется в синусоидальное опорное напряжение с помощью пассивного фильтра низких частот L1, L2, C1, которое сдвигается по фазе этим фильтром приближенно на 90°. точная настройка фазового сдвига на 90° производится цепью r, С, .

Недостатками прототипа являются: невозможность измерения в электрических цепях с формой тока отличающейся от синусоидальной, сложность технической реализации пассивного фильтра низких частот L1, L2, C1 , особенно при изготовлении индуктивностей, с помощью одного каскада фильтра маловероятно получить эталонное синусоидальное напряжение.

Анализ показывает, что в устройстве (рис. 3) нет амплитудной модуляции, также нет умножения и деления. Под умножением понимается, если увеличить напряжение, например, в два раза, то сила тока тоже увеличится в два раза, а мощность увеличится в четыре раза, соответственно увеличатся длительность и амплитуда импульсов в два раза, а напряжение на выходе в четыре раза - это нельзя назвать умножением.

Несмотря на то, что прототипом является датчик активной мощности, он может быть принят в качестве прототипа, так как в предлагаемой полезной модели применяется импульсно - фазовый, амплитудный преобразователь, использующий свойства тригонометрических функций.

Анализ устройства также показывает, что изменяя предварительный сдвиг по фазе на 90°, можно получить датчик реактивной мощности, а также при определенных условиях можно получить датчик коэффициента мощности, поэтому это устройство принято в качестве прототипа.

Техническим результатом является создание устройства аналогового датчика коэффициента мощности с аналоговым выходом и возможностью подключения измерительного прибора, выходное напряжение при cos=1 не менее 5,0 В, высокое быстродействие (постоянная времени 0,03 с), возможность измерения в электрических цепях промышленной частоты при любой форме тока, сигнализация при опережении фазового сдвига тока относительно напряжения.

Технический результат достигается тем, что в устройстве аналогового датчика коэффициента мощности, который содержит импульсно-фазовый, амплитудный преобразователь, трансформатор тока и трансформатор напряжения, при любой форме тока, с нагрузочного резистора промежуточного трансформатора тока напряжение поступает на два последовательно включенных фильтра низких частот в канале тока для выделения напряжения первой гармоники, которое подается на фильтр высоких частот, после которого напряжение одновременно подается на фазосдвигающее устройство и на компаратор инвертирующий в канале тока, с фазосдвигающего устройства напряжение подается на компаратор не инвертирующий в канале тока, с обоих компараторов выделяются положительные составляющие прямоугольных импульсов, которые нормализуются логическими элементами и поступают на входы исключающего ИЛИ, выход которого соединяется с инвертором на элементе И-НЕ, с которого короткие импульсы подаются на базу импульсно - фазового, амплитудного преобразователя, с трансформатора напряжения переменное напряжение подается на вход компаратора не инвертирующего в канале напряжения, с которого разнополярные прямоугольные импульсы подаются на интегратор, напряжение треугольной формы с которого подается на два последовательно включенных фильтра низких частот в канале напряжения для получения эталонного синусоидального напряжения, затем напряжение поступает на фазовращатель, с которого это напряжение подается на прецизионный выпрямитель, с которого напряжение подается на коллектор импульсно - фазового, амплитудного преобразователя, выход которого подключен к фильтру постоянного тока с инвертирующим усилителем, затем после инвертирования к выходной клемме для подключения прибора измерения, кроме того сигналы из каналов тока и напряжения поступают на вход устройства сигнализации.

В устройстве аналогового датчика коэффициента мощности при любой форме тока выделяется первая гармоническая составляющая, которая служит для получения коротких импульсов стабильной длительности с возможностью сдвига по фазе при изменении фазы тока, вырабатывается эталонное синусоидальное напряжение, которое после выпрямителя используется в качестве тригонометрической функции для определения коэффициента мощности, используется возможный полезный сигнал после исключающего ИЛИ с частотой 100 Гц.

С этой целью предварительно проведены экспериментальные исследования устройств выделения первой гармоники тока. Исследованы фильтры низких частот Баттерворта и с нулевым смещением, полосовые фильтры с многопетлевой обратной связью и с вещественными полюсами. Исследованы также все сочетания их последовательного включения и варьирование основных параметров добротности и коэффициентов демпфирования. В результате установлено, что наилучшие характеристики можно получить при двух последовательно включенных фильтрах Баттерворта. Однако при этом предъявляются повышенные требования к точности параметров схемы, в противном случае результирующий фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, после инвертирования, не будет равен нулю. Аналогичные характеристики получаются с двумя последовательно включенными фильтрами с нулевым смещением и коэффициентом демпфирования =0,707. Несмотря на увеличение количества элементов схемы, целесообразно применить фильтры с нулевым смещением, позволяющие с помощью переменного резистора, при незначительном изменении коэффициента демпфирования ±5,0%, установить после инвертирования нулевой фазовый сдвиг между входной эталонной синусоидой от генератора синусоидальных сигналов (ГСС) и на выходе фильтров в канале тока при частоте 50,0 Гц.

Экспериментальные исследования проводились также с целью выявления фазового сдвига первой гармоники на выходе фильтров относительно прямоугольных импульсов на входе, полученных из эталонной синусоиды от ГСС. На рис. 4 показана эталонная синусоида и полученные с помощью компаратора прямоугольные импульсы однополярные и двухполярные (пунктир), которые подавались на вход фильтров. На рис. 5 показаны осциллограммы переменной составляющей синусоиды на выходе фильтров и прямоугольные импульсы на входе, откуда видно, что выделенная первая гармоника имеет такой же фазовый сдвиг как и при эталонной синусоиде на входе.

Структурная схема устройства аналогового датчика коэффициента мощности приведена на рис. 6, принципиальная схема, на которой элементы выделены пунктиром и обозначены в соответствии с структурной схемой, приведена на рис. 7.

Элементы схем:

1 - промежуточный трансформатор тока;

2 - первый фильтр низких частот в канале тока;

3 - второй фильтр низких частот в канале тока;

4 - фильтр высоких частот;

5 - фазосдвигающее устройство;

6 - компаратор инвертирующий в канале тока;

7 - компаратор не инвертирующий в канале тока;

8 - исключающее ИЛИ;

9 - инвертор на элементе И - НЕ;

10 - импульсно-фазовый, амплитудный преобразователь;

11 - трансформатор напряжения;

12 - компаратор не инвертирующий в канале напряжения;

13 - интегратор;

14 - первый фильтр низких частот в канале напряжения;

15 - второй фильтр низких частот в канале напряжения;

16 - фазовращатель;

17 - прецизионный выпрямитель;

18 - фильтр постоянного тока с инвертирующим усилителем;

19 - выходная клемма для подключения прибора измерения;

20 - устройство сигнализации.

Краткие характеристики элементов схем:

промежуточный трансформатор тока, включается на нагрузочный резистор, на котором напряжение пропорциональное току измеряемой цепи;

фильтры низких, активные на операционных усилителях, второго порядка, с нулевым смещением и с повторителем на выходе, имеют регулировочный резистор фазы;

фильтр высоких частот первого порядка, пропускающий без ослабления частоту 50,0 Гц. и не пропускающий постоянную составляющую тока;

фазосдвигающее устройство на (8-10)° с инвертированием синусоиды на выходе; для нормализации фронтов импульсов после компараторов установлены логические элементы И - НЕ;

трансформатор напряжения с выходом 6,0 В;

интегратор на операционном усилителе для получения разнополярного напряжения треугольной формы;

фазовращатель для настройки соответствия фаз тока и напряжения; прецизионный выпрямитель с положительным напряжением на выхоле;

устройство сигнализации отставания или опережения тока от напряжения по фазе.

В канале тока первичным датчиком является промежуточный трансформатор тока 1, вторичная обмотка которого включена на нагрузочное сопротивление. Напряжение с этого сопротивления U1, пропорциональное току, подается на вход двух последовательно включенных фильтров низких частот в канале тока 2,3 второго порядка с нулевым смещением, на выходе которых выделяется первая гармоника с постоянной составляющей U2. Полученный сигнал поступает на фильтр высоких частот 4, который пропускает только переменную составляющую U3. Полученная первая гармоническая составляющая подается одновременно на два канала. В первом канале переменный сигнал U4 сдвигается по фазе фазосдвигающим устройством 5 на (8-10)°, с которого поступает на вход компаратора инвертирующего в канале тока 6 для преобразования синусоиды в прямоугольные импульсы. Во втором канале переменный сигнал U3 подается на компаратор не инвертирующий в канале тока 7 без сдвига по фазе также для получения прямоугольных импульсов. С выходов обоих компараторов диодами выделяются положительные импульсы, которые нормализуются элементами И - НЕ U5, U6. Импульсы с элементов И - НЕ поступают на входы исключающего ИЛИ 8, на выходе которого U7 короткие импульсы (8-10)°, которые затем инвертируются U8 элементом И - НЕ 9, с которого они поступают на базу транзистора импульсно - фазового, амплитудного преобразователя 10. Диаграммы напряжений приведены на рис. 8 с указанием напряжений в контрольных точках.

В канале напряжения первичным датчиком является трансформатор напряжения 11, переменное напряжение с которого преобразуется в прямоугольные разнополярные импульсы компаратором не инвертирующим в канале напряжения 12. С компаратора импульсы поступают на вход интегратора 13, на выходе которого будет напряжение треугольной формы, которое лучше и точнее преобразуется в эталонное синусоидальное напряжение с помощью двух последовательно включенных фильтров низких частот в канале напряжения 14, 15. Полученное синусоидальное напряжение подается на вход фазовращателя 16, с помощью которого можно изменять фазу в широких пределах переменным резистором. Затем эталонное напряжение подается на вход прецизионного выпрямителя 17, с которого напряжение в виде положительных полуволн U 9 подается на коллектор транзистора импульсно-фазового, амплитудного преобразователя 10. С выхода которого импульсы поступают на фильтр постоянного тока с инвертирующим усилителем 18, к выходу которого U10 может быть подключена выходная клемма для подключения прибора измерения 19.

На рис 9 показаны временные диаграммы импульсов измерения коэффициента мощности с указанием напряжений в контрольных точках.

Таким образом полученное эталонное напряжение в виде положительных полуволн синусоидальной формы используется как тригонометрическая функция из которой в виде коротких импульсов получается сигнал пропорциональный косинусу угла сдвига между напряжением и током или коэффициенту мощности.

Прямоугольный сигнал из канала измерения тока и синусоидальный сигнал из канала измерения напряжения подаются на устройство сигнализации 20, дающее информацию об отставании или опережении по фазе тока от напряжения. Светодиод светит, когда ток отстает от напряжения и не светит, когда ток опережает напряжение.

ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМЫ

Фильтр низких частот

В качестве фильтра низких частот применяется схема с нулевым смещением (рис. 10),которая имеет наиболее простую настройку элементов. Большое выходное сопротивление R1 устраняется повторителем DA2.

Передаточная функция

,

где - частота сопряжения,

2Т=(С1+C2)R1,

- коэффициент демпфирования, 2 JRXR2C^C2

- добротность.

, 0=2f=2·50=314c-1.

Задаемся C 2>C1 и обозначим , С2=kC1

Получим формулы расчета при заданном =0,707. Вначале рассчитывается

, а затем

Фазовращатель

Фазовращатель (рис. 11) с коэффициентом усиления на любых частотах, при R 2=R3 равным 1,0.

Передаточная функциями

Уравнение фазовой характеристики

()=180-2arctg(R1C)

Задаваясь С=0,22 мкФ, величинами R2=R3=10,0 кОм, для фазового сдвига =90°, при =0, рассчитывается среднее значение R1 , затем для расширения диапазона регулирования фазы принимается 2R1.

Фильтр высоких частот

Фильтр высоких частот рис. 12 предназначен для выделения переменной составляющей входного сигнала.

Передаточная функция

,

Необходимо выполнить условие

,

чтобы сигнал при рабочей частоте f=50,0 Гц не уменьшался по амплитуде

Задаваясь, например, С=1·10-6, получим

.

Фазосдвигающий элемент (рис. 13)

Передаточная функция

,

Сдвиг по фазе

задаваясь =-10°, при 0=314 с-1, и задаваясь С=0,1·10 -6 ф, вычисляется

,

и принимается 1,5 R2 для регулирования .

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, совпадающие с заявленным решением, что позволяет сделать вывод о том, что полезная модель имеет изобретательский уровень. Изобретение является промышленно применимым, оно может быть использовано в качестве датчика систем регулирования коэффициента мощности и телемеханизации систем электроснабжения, при измерении температуры в индукционных установках и в электроизмерительной технике. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию полезной модели «новизна».

Список документов, цитированных в отчете о поиске

Поиск производился в поисковой системе в областях запроса «УСТРОЙСТВЕ АНАЛОГОВОГО ДАТЧИКА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ» и «УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ».

Всего просмотрено более 10 рефератов, а также материалы открытой печати и материалы в интернете. Из них проанализированы, наиболее пригодные по тематике, следующие работы:

1. А.Ю. Бальзамов, А.Н. Поливцев, Однофазный измеритель коэффициента мощности. «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева». Е-mail: mailto:balsamovau@mrsu.ru

2. Бенин В.Л. и Кизилов В.У. Статические измерительные преобразователи электрической мощности. М. «Энергия», 1972

Анализ устройств в приведенных источниках

В [1] приводится описание цифрового измерительного устройства, отсутствие аналоговых выходных сигналов не позволяет применять его в системах автоматического управления, не приводится возможность работы устройства при измерении, когда ток в виде прямоугольных однополярных импульсов в цепи однотактного выпрямителя.

В [2] приводится датчик активной мощности, с ключевыми словами названий: «время - импульсный преобразователь средней мощности», «транзистор является ключевым элементом амплитудного модулятора», «множительно-делительное устройство, использующее свойства тригонометрических функций», который может работать только в цепях с синусоидальными формами тока и напряжения. Несмотря на то, что это датчик активной мощности, устройство может быть принято в качестве прототипа, так как в предлагаемой полезной модели, как способ, применяется импульсно - фазовый, амплитудный преобразователь, использующий свойства тригонометрических функций.

Устройство аналогового датчика коэффициента мощности, который содержит импульсно-фазовый, амплитудный преобразователь, трансформатор тока и трансформатор напряжения, отличающееся тем, что при любой форме тока с нагрузочного резистора промежуточного трансформатора тока напряжение поступает на два последовательно включенных фильтра низких частот в канале тока для выделения напряжения первой гармоники, которое подаётся на фильтр высоких частот, после которого напряжение одновременно подаётся на фазосдвигающее устройство и на компаратор, инвертирующий в канале тока, с фазосдвигающего устройства напряжение подаётся на компаратор, не инвертирующий в канале тока, с обоих компараторов выделяются положительные составляющие прямоугольных импульсов, которые нормализуются логическими элементами и поступают на входы исключающего ИЛИ, выход которого соединяется с инвертором на элементе И-НЕ, с которого короткие импульсы подаются на базу импульсно-фазового, амплитудного преобразователя, с трансформатора напряжения переменное напряжение подаётся на вход компаратора, не инвертирующего в канале напряжения, с которого разнополярные прямоугольные импульсы подаются на интегратор, напряжение треугольной формы с которого подаётся на два последовательно включенных фильтра низких частот в канале напряжения для получения эталонного синусоидального напряжения, затем напряжение поступает на фазовращатель, с которого это напряжение подаётся на прецизионный выпрямитель, с которого напряжение подаётся на коллектор импульсно-фазового, амплитудного преобразователя, выход которого подключён к фильтру постоянного тока с инвертирующим усилителем, затем после инвертирования к выходной клемме для подключения прибора измерения, кроме того, сигналы из каналов тока и напряжения поступают на вход устройства сигнализации.



 

Похожие патенты:
Наверх