Анализатор гармоник

 

Изобретение предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового сигнала и позволяет расширить функциональные возможности устройства. Анализатор содержит интеграторы 1-3 с переменным коэффициентом передачи (ПК), сумматор 7 с ПК по первому входу и с постоянным по второму, компаратор 9, аналоговые ключи 21-32. Введение интеграторов 4 и 5 с ПК, интегратора 6 с постоянным коэффициентом передачи, сумматора 8 с ПК, компаратора 10 и аналоговых ключей 11-20 обеспечивает дополнительное вычисление реактивной мощности в электрической цепи, которая при несинусоидальных напряжении и токе определяется согласно выражениям , приведенным в тексте описания. 1 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (50 4 G 01 R 23/16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АSTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ ч

Го» к,»

Vr,»

6,4

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 815669 (21) 3934005/24-21 (22) 29.07.85 (46) 07.01.88. Бюл. У 1 (71) Ленинградский электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (72) В.А.Семенов, А.М.Смирнов и Е.П.Угрюмов (53) 621.317 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 815669. кл. G 01 R 23/16, 1981. (54) АНАЛИЗАТОР ГАРМОНИК (57) Изобретение предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового сигнала и позволяет расЛ0„„1364996 A 2 ширить функциональные возможности устройства. Анализатор содержит интеграторы 1-3 с переменным коэффициентом передачи (ПК), сумматор 7 с ПК по первому входу и с постоянным по второму, компаратор 9, аналоговые ключи 21-32. Введение интеграторов 4 и 5 с ПК, интегратора 6 с постоянным коэффициентом передачи, сумматора 8 с ПК, компаратора 10 и аналоговых ключей 11-20 обеспечивает дополнительное вычисление реактивной мощности в электрической цепи, которая при несинусоидальных напряжении и токе определяется согласно выражениям, приведенным в тексте описания.

1 ил.

1364996

Изобретение относится к электроизоляционной и аналого-цифровой вычислительной технике, предназначено для нахождения линейчатых амплитудного и фазового спектров периодического аналогового сигнала, а также реактивной мощности в электрической цепи, преимущественно в несинусоидальном режиме, может найти применение в составе различного рода информационно-измерительных и управляющих комплексов и систем, в качестве автономного устройства для гармонического 1 анализа напряжений и токов, при аппаратурном определении реактивной мощности в системах энергоснабжения и является усовершенствованием анализатора по авт. св.

У 815669.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройства путем дополнительного вычисления реактивной мощности в электрической цепи.

Реактивная мощность в электрической цепи при несинусоидальном напряжении и токе определяется следующим образом:

Q= QQ,= .U I „sin q к= К= k где Щ,I „ — действующие значения напряжения и тока k-й гармоники; л

Ч вЂ” фазовый сдвиг между напряжением и током k-й гармоники.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, Анализатор гармоник содержит первый — шестой интеграторы 1-6, первый и второй сумматоры 7 и 8, первый и второй компараторы 9 и 10 и первый— двадцать второй аналоговые ключи

11-32, Выход первого сумматора 7 через первый аналоговый ключ 11 соединен с первым входом первого интегратора

1, выход которого соединен с первым входом второго интегратора 2 через второй аналоговый ключ !2 и с первым выходом устройства через третий аналоговый ключ 13. Выход второго интегратора 2 соединен с вторым входом первого сумматора 7, первый вход которого через четвертый аналоговый ключ 14 соединен с первым входом устройства. Второй вход устройства через пятый аналоговый ключ 15 соединен с

55 первым входом третьего интегратора

3, выход которого через шестой аналоговый ключ 16 соединен с вторым выходом устройства. Входы начального значения интегрирования первого— шестого интеграторов 1-6 соединены с общей шиной у .тройства соответственно через седьмой — девятый и двенадцатый — двадцать первый аналоговые ключи 17-19 и 29-31. Входы управления коэффициентом передачи первого — пятого интеграторов 1-5 соединены с третьим входом устройства. Входы управления коэффициентом передачи первого и второго сумматоров 7 и 8 соединены с четвертым входом устройства. Первый вход первого компаратора 9 через десятый аналоговый ключ

20 соединен с выходом первого интегратора 1 и через одиннадцатый аналоговый ключ 21 с выходом второго интегратора 2. Второй вход первого интегратора 1 через двенадцатый аналоговый ключ 22 соединен с шестым входом устройства. Выход второго сумматора 8 через тринадцатый аналоговый ключ 23 соединен с входом четвертого интегратора 4. Выход пятого интегра ñpà 5 через четырнадцатый аналоговый ключ 24 соединен с входом шестого интегратора 6, выход каждого через пятнадцатый аналоговый ключ 25 соединен с третьим выходом устройства. Выход четвертого интегратора 4 через семнадцатый аналоговый ключ 27 соединен с четвертым выходом устройства и через шестнадцатый аналоговый ключ 26 с входом пятого интегратора 5, выход каждого соединен с первым входом второго компаратора 10 и с вторым входом второго сумматора 8.

Пятый вход устройства через восемнадцатый аналоговый ключ 28 соединен с первым входом второго сумматора 8.

Вторые входы компараторов 9 и 10 соединены с общей шиной устройства.

Выход третьего интегратора 3 через двадцать второй аналоговый ключ 32 соединен с пятым выходом устройства.

Выход первого компаратора 9 связан с управляющими входами аналоговых ключей 13 и 16, а второго компаратора 10 — с управляющими входами аналоговых ключей 27 и 32.

Устройство работает следующим образом.

Амплитуда и фаза напряжений и токов п гармоник, а также реактивная

Q„= U„„ I, sin „, 20

55

3 136 мощность в электрической цепи вычисляются за время цикла, который состоит из п идентичных подциклов (с незначительными изменениями в первом и п-м подциклах). В каждом таком подцикле вычисляются амплитуды и фазы напряжениИ и тока очередной k-й гармоники, элементарная реактивная мощность связанная с наличием в электрической цепи k-й гармоники, а также сумма реактивных мощностей всех уже вычисленных (в данном и предыдущих подциклах) гармоник.

Рассмотрим функционирование устройства в некотором k-м подцикле, учитывая, что в остальных подциклах устройство работает аналогичным образом. Каждый подцикл состоит из девяти тактов различной длительности.

Обозначение вида О в дальнейшем

J соответствует началу отсчета времени в -м такте (14,) 7).

В первом такте на первом — пятом интеграторах 1-5 устройства устанавливаются нулевые начал ные условия, что достигается эаьвпсанием ключей

17-19 и 29-30 на время, достаточное для полного разряда конденсаторов интеграторов. Этим временем и определяется длительность первого такта.

В первом такте первого подцикла, кроме того, устанавливаются нулевые начальные условия на интеграторе 6 (замыканием ключа 31).

Во втором такте вычисляются коэффициенты разложения кривых напряже4 б 4,к и

Для этого генераторы синуснокосинусного напряжения, каждый составленный первым и вторым интеграторами и первым сумматором ("кольцо" напряжения) и составленный четвертым и пятым интеграторами и вторым сумматором ("кольцо" тока), переводятся в режим вычисления коэффициентов ряда Фурье. При этом замыкаются ключи

11, 12, 23, 26, 14, 28. Оба генератора настраиваются на частоту k-й гармоники в результате подачи соответствующего кода на входы управления блоков цифроуправляемой проводимости.

На вход управления блока цифрового управляемого сопротивления подается

4996 код N . Если входной сигнал подается на вход генератора в течение одного периода Т электрических колебаний в цепи, то по окончании этого периоЬ да напряжения на выходах соответствующих интеграторов численно равны амплитудам косинусной и синусной составляющих (напряжения или тока), то есть коэффициентам Фурье А „ и В „.

В третьем такте в момент времени

Т (от начала второго такта) входные аналоговые ключи 14 и 28 разомкнуты и переводят генераторы в режим преобразования координат. В этом режиме напряжения на выходах интеграторов имеют следующий вид:

Uz I(t)=U,cos(vt-Ч„,);

11., (t) =-U„„sin(i t- „);

U (t )=I cos(ût-0 „) M,;

U (1)=-M I „sin(t- 9 ); где М вЂ” масштабный коэффициент преI образования тока в электрической цепи во входное напряжение кольца тока.

Поскольку фазовый сдвиг между напряжением и током k-й гармоники

0 Гк

0 Гк с учетом формулы приобретают следующий вид:

U2I,(t ) - U III „c o s (t - qц ) 1

U» (С)=-U„ I, sin(dt-y );

U z, (t ) ™™, - I „,,с оз (ы1- ч + 9„);

В некоторый момент времени t определяемый из условия t = Ч „, напряжение на выходе первого интегратора 1 U Ä(t )=V„„, а интервал вреI мени от начала такта до момента t пропорционален фаэовому углу напряжения Е-й гармоники. Момент времени определяется компаратором 9 по пе45 реходу выходного напряжения второго интегратора 2 через нуль в направлении от плюса к минусу относительно общей точки. Для этого в данном такте компаратор 9 подключается к выхо50 ду второго интегратора 2 через замкнутый ключ 21. В момент времени t напряжение на выходе пятого интегратора

U (t )=-M, I,,sin 4„

На протяжении всего третьего такта третий интегратор 3 интегрирует постоянное опорное напряжение -U<,„„.

U„(t)=U„(O)-a, и,„ t, где Б,,(0 ) — выходное напряжение первого интегратора в начале пятого такта,В; а — коэффициент передачи

1 первого интегратора по второму входу, н

Для некоторого момента времени t

v„ (t )=О, () аv,„с и,k учитывая, что t и1 где <; — частота, на которую настроены генераторы синусно-косинусного напряжения.

Поскольку длительность данного такта оказывается тем больше, чем выше указанная частота, то целесообразно настраивать генератор (путем подачи соответствующего кода N на управляющие входы блоков цифроуправляемой проводимости) на одну из высших гармоник анализируемого колебания.

Таким образом, в момент окончания третьего такта на первом интеграторе 1 находится напряжение, равнбе амплитуде k-й гармоники, на третьем интеграторе — напряжение, пропорциональное фазовому углу этой гармоники, и на пятом интеграторе — напряжение, пропорциональное реактивной мощности k-й гармоники.

В четвертом такте первый и третий интеграторы переводятся в режим хранения (ключи 11 и 15 размыкаются).

Через замкнутые ключи 13 и 16 напряжения

10 следовательно

U« = 1(o )=П

Таким образом, интервал времени о от начала такта до момента t, в который выходное напряжение первого интегратора, уменьшаясь, достигает нуля, пропорционален амплитуде k-й гармоники напряжения: н, Um,p т ай

На протяжении этого интервала шестой интегратор 6 интегрирует напряжение с выхода пятого интегратора

5, который находится в режиме хранеI ния. При этом напряжение на выходе шестого интегратора

v„(t)=v„(o )-e. vã,ь,(0 ) . tý, где а е — коэффициент передачи шестого интегратора, с

vz„(t )=v„;

„(с )=Б, поступают в регистрирующее устройство.

Длительность этого такта определяется временем, необходимым для записи указанных напряжений в регистрирующее устройство. В некоторых случаях возможно считывание информации из устройства "на лету", беэ перевода интеграторов в режим хранения °

В этом случае четвертый такт может быть исключен.

В пятом такте вычисляется реактивная мощность k-й гармоники и суммируется с реактивными мощностями ранее вычисленных гармоник.

Напряжение на выходе пятого интегратора в начале такта

40 Uzs (05) — 11 z s(t )- М r I „sin -Р

В момент времени t () 1,, (О )+a M: I п и, 2ь 2е 5 а U

45 Таким образом, к начальному напряжению, хранившемуся на шестом интеграторе, добавляется величина а М«1

= —,-- — (» U I sing )=М Q а,У а .11 («2 .,к .,c . а к

50 пропорциональная реактивной мощности

k-й гармоники.

Для этого из первого 1 и шестого

6 интеграторов организуется множительное устройство (ключи 11, 26 разомкнуты, 22, 24 замкнуты). Амплитуда k-й гармоники напряжения списывается в результате подачи опорного

Коэффициент пропорциональности

2ае М (В

М,=

В первом подцикле напряжение на шестом интеграторе к началу такта от5 1364996 B

В момент времени выходное напряжение напряжения через замкнутый ключ 22 третьего интегратора на второй вход интегратора 1 до нуля:

7 13649 сутствует, поэтому по окончании такта на шестом интеграторе сохраняется значение напряжения пропорциональное реактивной мощности первой гармоники.

По окончании второго подцикла

u„(t" ) =U „(О, )+u,, П,,+17,, 0

Наконец по окончании п-го подцикла h

uÄ(t")=, 1:,„=М„„

K 4 на шестом интеграторе накапливается величина, пропорциональная реактивной мощности

Для регистрации момента t используется компаратор 9, подключаемьN 20 через замкнутый ключ 20 к выходу первого интегратора. Ключ 21 соответственно разомкнут.

Длительность такта, равная интервалу О, t", 1, зависит от реактивной мощности гармоники.

В шестом — девятом тактах вычисляются амплитуда I „и фаза u,,k-й гармоники. Кольцо" напряжения — генератор синусно-косинусного напряже- 30 ния, составленный интеграторами 1 и

2 и сумматором 7, в этих тактах участия не принимают. "Кольцо" тока— генератор синусно-косинусного напряжения, составленный интеграторами 4 и 5, в шестом-седьмом тактах функционируют также, как H в первом — втором: после подготовки (сброса) интеграторов вычисляются косинусная и синусная составляющие k-й гармоники 40 тока.

В восьмом такте вычисляются собственно амплитуда ? „ и фаза М „К-й

, ч гармоники тока. С этой целью "кольцо" тока переводится в режим преобраэова- 45 ния координат. При прохождении выходным напряжением интегратора 5 через нуль в направлении от минуса к плюсу (определяется компаратором 10) "кольцо" останавливается, размыкаются

50 ключи 23, 26, 15. Выходное напряжение четвертого интегратора пропорционально амплитуде k-й гармоники тока.

Интегратор 3 в этом такте преобразует интервал, пропорциональный фазе

k-й гармоники тока, в соответствующее напряжение. После размыкания ключа 15 это напряжение сохраняется на интеграторе 3.

В девятом такте осуществляется выдача напряжений, пропорциональных амплитуде и фазе k-й гармоники тока, с выводов интеграторов 3 и 4 через замкнутые ключи 27 и 32 в регистрирующее устройство.

В завершающем п-м подцикле s любом такте с шестого по девятый через замкнутый ключ 25 может быть выдано значение напряжения, пропорционального реактивной мощности.

По завершению n-ro подцикла цикл работы устройства повторяется.

Устройство вычисляет как амплиту ду и фазы напряжения и тока отдельных гармоник, так и реактивную мощность в электрической цепи.

Формула изобретения

Анализатор гармоник по авт. св.

М 815669, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, в него дополнительно введены четвертый — пятый интеграторы с переменным коэффициентом передачи и шестой интегратор с постоянным коэффициентом передачи, второй сумматор с переменным коэффициентом передачи по первому входу и с постоянным по второму, второй компаратор и десятый — двадцать второй аналоговые ключи, причем первый вход первого компаратора через десятый аналоговый ключ соединен с выходом первого интегратора и через одиннадцатый аналоговый ключ соединен с выходом второго интегратора, второй вход первого интегратора через двенадцатый аналоговый ключ соединен с шестым входом устройства, выход второго сумматора через тринадцатый аналоговый ключ соединен с входом четвертого интегратора, выход пятого интегратора через четырнадцатый аналоговый ключ соединен с входом шестого интегратора, выход которого через пятнадцатый аналоговый ключ соединен с третьим выходом устройства, выход четвертого интегратора через семнадцатый аналоговый ключ соединен с четвертым выходом устройства и через шестнадцатый аналоговый ключ — с входом пятого интегратора, выход которого соединен с первым входом второго компаратора и вторым входом второго сумматора, пятый вход устройства через восемнадцатый анаСоставитель В.Смолин

Редактор Н.Гунько Техред М.Ходанич

Корректор А.Обручар

Заказ 6603/38 Тирак 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ушгород, ул. Проектная, 4

9 1364996 10 логовый ключ соединен с первым входом торов соединены с третьим выходом второго сумматора, входы начального устройства, вход управления коэффициэначения интегрирования четвертого — ентом передачи второго сумматора соешестого интеграторов соединены соот- динен с четвертым выходом устройства

5 ветственно через девятнадцатый - двад- выход третьего интегратора через цать первый аналоговые ключи, а так- двадцать второй аналоговый ключ соеже второй вход второго компаратора динен с пятым выходом устройства, а соединены с общей шиной устройства, выход второго компаратора связан с входы управления коэффициентом пере- 10 управляющими входами семнадцатого и дачи четвертого — пятого интегра- двадцать второго аналоговых ключей.