Цифровой измеритель мощности переменного тока
Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в цифровых измерителях мощности с аналоговым перемножением сигналов. Цель изобретения - повышение точности измерения мощности, достигается переодическим включением на входы аналогового перемножителя 7 прямых и инвертированных сигналов, пропорциональных току в нагрузке и напряжению в питающей сети. На входы блока также коммутируется сигнал с выхода разностного интегратора 10, на каждый из двух входов которого подается напряжение с масштабного преобразователя 8. В установившемся режиме на выходе блока установится напряжение, пропорциональное корню квадратному активной мощности, рассеиваемой в нагрузке. Это напряжение, отфильтрованное в блоке 13 аналогового усреднения и преобразованное в цифровую форму АЦП 14, возводится в квадрат цифровым квадратором 15. Напряжение на выходе цифрового квадратора 15 пропорционально активной мощности потребляемой нагрузкой. На чертеже также показаны входные преобразователи - 1 и 2 соответственно напряжения и тока. Работой двухполюсных управляемых переключателей 3, 6, 9 осуществляющих коммутацию напряжений, управляют генератор 11 импульсов и триггер 12. В данном устройстве скомпенсированы погрешности, обусловленные наличием в сигнале аналогового перемножителя аддитивной составляющей, напряжения, пропорционального сигналам на каждом из его входов, нестабильности коэффициента передачи. Это позволяет повысить точность измерения мощности устройствами на базе аналоговых перемножителей с неидеальной функцией преобразования, а также исключить трудоемкую операцию настройки параметров аналогового перемножителя. 1 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (11) <511 4 С 01 К 21!00
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН11Я
l -1 АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
rlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ П1НТ СССР
1 ;21) 4402585/24-21 (22) 04.04.88 (48) 30.09,89. Бюл, Ф 36 (72) В.В.Бинковский, Н,И.Грибок, С.А.Савенко и С.Г.Романюк (53) 621,317.38(088,8) (56) Наконечный А.И., Чайковский G.È.
Цифровые средства измерения мощности электрических сигналов звукового ди;wlaаоиа частоты, — "Измерения, контроль, автоматизация" „ 1985,,И 2, стр, 84
Авторское свидетельство СССР
Р 4145095 кп, G 01 R 21 00э 198б.
2 (54) 1МФРОВйй ИЗМЕРИ"."ЕлЬ,- DFiHOCTH 1TEРКУЫ 110Гй Т0 1 А (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в цифровых измерителях мощности с аналоговым перемножением сигналов. Цель изобретения — повышение точности измерения мощчости— достигается пе?,,одними с cиi; вкхпсченнем на входы аналоговогс перемножнтеля 7 прямых и инвертированных сигналов, пропорциональных току B:нагрузке н напряжению в питающей сети. Иа входы
Э !5!1702 блока также коммутируется сигнал с выхода разностного интегратора 10, на каждый из двух входов которого подается напряжение с масштабного преоб5 разователя 8. В установившемся режиме на выходе блока установится напряжение, пропорциональное корню квадратному активной мощности, рассеиваемой в нагрузке. Это напряжение, отфильт- !0 рованное в блоке 13 аналогового усреднения и преобразованное в цифровую. форму АЦП 14, возводится в квадрат цифровым квадратором 15. Напряжение на выходе цифрового квадратора 15 !5 пропорционально активной мощности потребляемой нагрузкой. На чертеже также показаны входные преобразователи 1 и 2 соответственно напряжения и тока. Работой двухполюсных управляемых переключателей 3, 6, 9, осуществляющих коммутацию напряжений, управляют генератор 11 импульсов и триггер 12, В данном устройстве скомпенсированы погрешности, обусловленные наличием в сигнале аналогового перемножителя аддитивной составляющей, напряжения, пропорционального сигналам на каждом из его входов, нестабильности коэффициента передачи, Это позволяет повысить точность измерения мощности устройствами на базе аналоговых перемножителей с неидеальной функцией преобраэования, а также исключить трудоемкую операцию настройки параметров аналогового перемножителя ° 1 ил.
Изобретение относится к цифровой 25 измерительной технике и может найти применение в цифровых измерителях мощности с аналоговым перемножением сигналов, Цель изобретения — повышение точности измерения.
На чертеже представлена функциональная схема цифрового измерителя мощности переменного тока.
Устройство содержит входной преобразователь 1 напряжения, входной преобразователь 2 тока, первый управляемый двухполюсный переключатель 3, первый 4 и второй 5 фазоинверторы, второй управляемый двухполюсный пе- 40 реключатель 6, аналоговый перемножитель 7, масштабный преобразователь о8 третий управляемый двухполюсный переключатель 9, разностный интегратор !0 генератор 11 импульсов, триг-,!5 гер 12, блок 13 аналогового усреднения, аналого-цифровой преобразователь 14, цифровой квадратор 15.
Вход по напряжению соединен со входом входного преобразователя 1
50 напряжения, выход которого подключен к первому входу первого управляемого двухполюсного переключателя 3, второй и четвертый входы которого соединены между собой и подключены к выходу разностного интегратора 10 и ко входу блока 13 аналогового усреднения, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрово1 го преобразователя 14, информационные выходы которого соединены с информационными входами цифрового квадратора 15. Вход по току соединен с третьим входом первого управляемого двухполюсного переключателя 3, первый выход которого подключен ко входу первого фаэоинвертора 4 и ко второму входу второго управляемого двухполюсного переключателя 6, первый вход которого соединен с выходом первого фазоинвертора 4, третий вход— с выходом второго фазоинвертора 5, четвертый вход - со вторым выходом первого управляемого двухполюсного переключателя 3 и со входом второго фазоинвертора 5, первый и второй входы аналогового перемножителя 7 подключены соответственно к первому и второму выходам второго управляемого двухполюсного переключателя 6. Выход аналогового перемножителя 7 подключен ко входу масштабного преобразователя 8, выход которого соединен со вторым и третьим входами третьего управляемого двухполюсного переключателя 9, первый и четвертый входы которого связаны с общей шиной, а первый и второй ceo выходы подключены соответственно к инвертирующему и не-. инвертирующему входам разностного интегратора 10, Выход генератора 1! импульсов соединен с входом управления второго двухполюсного переключателя
6 и со счетным входом триггера 12, 5 !51!7 единичный выход которого соединен со входами управления первого 3 и третьего 9 управляемых двухполюсных переключателей.
Работа данного цифрового измерителя мощности переменного тока основывается на следующем.
Пусть фракция аналогового перемножителя 7 с учетом эффектов пролезания,0 по входам описывается выражением
U„=a,+à,U<,(t)+a„,<<. (t)+K„U< (t)V,(t}, (1) где a, — аддитивная составляющая выходи о ro сиги ал а анало ro во го перемножителя 7; а,,а — коэффициенты, характеризующие степень линейного пролезания сигналов по первому 20 и второму входам аналогово— го перемножителя 7;
Кп - коэффициент перемножения аналоговоro перемножителя 7.
На выходе генератора 11 импульсов 25 имеем меандр напряжения с частотой (,), а на выходе триггера 12 имеем меандр напряжения с частотой <Зс/2, На второй и четвертый входы первого двухполюсного переключателя 3 поступает 30 выходное напряжение ur<«„ разностногэ интегратора 10. и,„=к „u(t); (2)
Ug< =Kgi(t), где u(t) и i(t) — входные напряжение 40 и ток.
Uct
Вектор коммутации ), (- †) напряжений U«(t) и U«(t) на первом и втором выходах первого управляемого двухпо- 45 люсного переключателя 3 равен
1+ sign sin(2à t)4 !. (3)
w,() !
Напряжения на выходах входного преобразователя 1 напряжения 1 «и тока 35
U < равны
Напря: ения на первом и втором
=. oäa- ; пе<."вого управляемого двухполюсного переключателя 3 соответст" венно равны (t) )) (<.) w (— c )+v W (- — ) (5)
v () -v«(t } ы < (---)+u в wä () ° (6) сС
Исходя из принятой функции преобразования (1} аналогового перемножителя 7 с учетом значений напряжений (7} и (8) на выходах первого 4 и второго 5 фазоинверторов
v, () и< (} ).« а))), (, )
c3. t (7)
<>с с
-U ж (---) в<
43c t
Us(t) -Uq (t} -Vg<(t}W< (-2-))) 11 ()
G2 ct
6>» 2 определяем входные напряжения на первом (9) и втором (10) входах аналогового перемножителя 7
u,„„„„,,(t)=v,(t) w (-",«)+па(t)w(ы,-е),(9)
," ; (}=" (} " (с- сt}+V „-(t)wà(ct)» (!О) где « ;(.,з t),W ( У w ы t}= — — — — - — — . (12) 1- s i Рn s i.n < - c t) 4 1 с Исхоця из (1) с учетом (9) и (!0), выходное напряжение аналогового перемножителя 7 равно Uп (t) =а<+a< U«z „r,(t)+a«v«» «g(t)+ +K< ° w >(, t}+v < (t) w (v,t)) +а, (v (t)» ° 1<, (ы, t)+1)5() ыа (а,t)1+K„EU< (t) ° w,. (<-, t)+v„(t) ъ<а (а,t)3 (v (t)w (<.„", )+ +u„"(t < <4 (< с) ° (13) Вектор коммутации W< (-- t) напряжений на первом и втором выходах первого управляемого двухполюсного переключателя 3 определяется из выражения 55 1-sign sin(— t) cD wg(— t) ) с 2 2 " 2 (4) В дальнейшем учтем,.что (— t)+W (— t) ) ° 2 с (2 } ) (2 «}=0 w (— -)+w, (— ) =1, ñt басс 2 2 w (--t)=w (--t) G7c < с 2 2 W (— С)=Ы,(— t), 2 сас cDc. 2 2 w (,t) w4(ы,t)=0; 1511702 w М") w s(ut) (14) 1 14(< с ) 1)14 (©с ") Соотношение (13) можно представить 5 в виде; U„(t)- .+pW,(t)-W, (t)j fa +а214(e))+K„U< (t)U2 () fW,(а,t)+ +<)<4 (бас )1 е (15) 1Î Учитывая (11) и (12), определяем (22) W (,) t)-1,1 ( w,(a,t)+w4 (we)-l°. (17) Отсюда, подставляя (16) и (17) в (15), получаем U<(t)ao+sign sin(M +а211 (е)1 +KÄV< (t)U<(t). (18) Учитывая значения (5) и (6) определяем 11 < () <), ()= LU<<(t) W< (— )+11выи ° W (— t)l U2<(t) Ws(t)+U<) - tU«{t) U2,() w, (+t)+v«(t)Uw,(— ) к 1)12 (t)+U<< 2 2 < 2 +и, „„и,(-" с) f-uÄ(t) u«(t) и, (--t)+ +11 еы Л (- t) (19) Учитывая (19), перепишем (18) в виде: И < (-- )+а< 11,„,И2 (-"Е)+а и2<(С) И< (— t)+ 4 63< Ф +a Ц".,(->t))+ (() U«() W, (— ) U..„W2(2 t)) Kq=ao+sign sin(e t) 45 (Лн(t)+>tuu(t)) (2О) t)+ (а<+а2) Uwg и(2 (2 t)+K A (U<<(t) " Ug)u(t W< (- t)+Ueeg W2 (- <) ° G3 2 (D 2 2 50 ) Определяем значение интеграла U<)(t)=a + sign sin(a,t) (а U<,(t) к На инвертирующий вход разностного интегратора 10 поступает напряжение U„„y (a<)+sign sin(+at) (а<+а2)()ьы<* ""2(2 ") К"" "" " {2 ")1 К с 2 сд < {21 н на инвертирующий вход: Uu („+ = (a,+sign sin( Ц (С)1 (2 Е)+К„U«(t)U«(t) tW (= с)1К Выходное напряжение разностного интегратора 10 равно 1 Г 1 ,; .„- ) (u,-u,)at t — I(u„„,,-u»g )at--К3 -„- )(au+sign sin((Dut) 1а<Б«(t)+ а 112<(4 1< ()+К„11 <(t) U2<(t) g )-а<)-sign sin(nut) ((а <+а2) и иа и (— t))-Ktut>> и (— t)j at= = — )K„(V«<(t) U,() W,(t)KS Г сЪ 1 K8 -и itut (> t)) at+ г.— % sign в(п (са t) 1 (a, u«(t)+atutat)1 и, (2t)-(а<+ +a2)U<)<,)x W4(t) jdt. Яд 1 (23) Разложим сигнум-функцию sign sin(CQ t) в ряд Фурье 4 1 sign sin(D(t) = q . — sin К При несинусоидальном напряжении u(t) и токе i(t), которые протекают в нагрузке, имеем u(t)=Eu ein(iut+ i;),g <=<) к (25) 1 (t) = ) Т „, sin(1<,1t+ Pj) . ,1= <) Тогда « U«(t)=K +U; sin(irat+<1)<), 1=о (26) U 2<(t ) =Кф I >„s in (j(g) t+ y ) . 1=0 где Б)«), I-,<, — амплитудные значения гармонических составляющих напряжения и тока; Ц;,(— фаза колебаний напряжения и тока соответствующей га моники Е<= — — (Б (Е)0 (t)W (- 1511702 С учетом значений 61 Ь Е 1п -- --f (B sj ) 4 SntS S 4 1 2 ° 6 — 1 К. 15 w (— t)е К И6 s1n — — t 6616 w (-t) г 2 определяем К8 с. Z = —" — — I U ()U (2)1,) (— 1-,)Кп К 1Г -! Г1 = — — ) К К Р+К К Р+К К Р ) — 4 ))- 2 )(2 4 1 . КЯс 15 +,=р - К 2 К» К "2,5 Я Выбрав частоту — вектора комму с 2 тации И (— t) таким образом, чтобы 20 она была выше частоты ZM; колебаний в Р и частот (i-j)Q, (14))Я в Р2 (28) интегралы (31) Первая составляющая суммы в (27) рав- К,К8 (! (26 на 11 K,K2 — — — - cos(g -q ) =К, К Р о ;»о л («1 Р= P — значение мощности в иссле- 30 дуемой нагрузке; U„ I Р = — — — — cos(Q -Q ) — активная мощ2 J — dt К К К, Кг (Р ) 2 (32) ность в исследуемой нагрузке для 1-й гармоники. 35 Переменная составляющая К К вЂ” — — cos(2tsit+(q -ttt )) U I„ „, .2 J t «() i е Кп К8 W (— t)dt«s --" — U st t)t 2 2 (, 8 6 к К(6 -(— -t) К 2 Кп К8 Z л представляет собой колебания удвоен- 40 ной частоты для i-х гармоник и будет отфильтрована в разностном интеграторе 1О при соответствующем выборе частоты(,) е Вторая составляющая 45 Г к«кЪ 5 (33) (2 вык -- — dt Кп К8 dt= л ) )1 к К, Кг,", U; sin(igt+q. ) I. sin(jut+ «о +4) ) (2 2 2 2 (28) представляет собой произведение раз- 50 ноименных гармоник напряжения u(t) и тока i(t). Такое произведение не дает постоянной составляющей напряжения ющая sin((Itsy(t ) sin(jntt+ttt )= — sin((i(2q) -j)Qt+(t(t;-Qj) sin((i+j)ttt+(t((;)). с учетом значений sign sin(Q,t) U«(t) и U2,(t). Для этого предварительно определяем произведение U„(t) U,(t)K, К, +U, з1п(1ЫЕ+(р,) ;=о к л к „sin(jut+cgJ)=K(K2 1; sin(iQt+ ) «е) с«О )1 1 «j ;)) Qx;„sin()itct+ttt.) +к,к,, и. sin ;=о i «О j«t i ) х (1+t+ q ), i(sin(jQt+g )=K К У(п I„ à — 2 ! =о )о Г 6Ф| j«11 сов (ф -QJ)-cos 2а ;+ф- g ) + (27) и к +K, K2 З, sin(igt+p ) Q I, sin(j t+ i tt) «o Jt =J +(6) ), при (, немного большем периода самой низкой из частот iQ jQ (i-j)Q (1+j)(д. Поэтому выражение (31) упрощается и пропорционально значению измеряк) емой мощности Р= 0 Р t«0 Вторая составляющая в (23) в установившемся режиме, когда И „„=const, равна так как при намного большем периода (е самой низкой из частот — — составля2 г е K(tK8 t Usstx 1 4 т= 1 . КЯс s1n (- — t) dt-0, 2 ) поскольку интегрируется сумма гармонических составляющих напряжения. Третья и четвертая части интеграла в (23) ф sign 81п(() ) а, У«()а П(t) к 11 151 И (»t)-(а +а )U Ч (1М) dt 0 2 2 bbll l 2 при выборе Q, большем удвоенной верхней частоты гармонических колебаний и(.) и i(t);Таким образом, если частота с, вектора коммутации не совпадает с удвоенной частотой колебаний самой высокой из частот в u(t) и 1(t) то выражение (23) принимает вид! 702 1г 1О множения К„ аналогового перемножителя 7, открывает возможность значительного повышения точности измерения мощности на базе аналоговых перемножителей с неидеальными функциями преобразования, Одновременно отпадает трудоемкая операция настройки параметров аналогового перемножителя, Ф о р м у л а Отсюда abide 3 "("""), Коквк K81 Вь3)(Ka Kn K|9K< К Кв — U dt= — — -" — Pdtл ы л Ъ КВК4 — — — ")(U dt abide В установившемся режиме dUgby K< К2Кп Кб K В Кп =0= — — — - — Pл Л gbiX Отсюда выходное напряжение разностного интегратора 10 (34) пропорционально корню квадратному из значения измеряемой мощности и не зависит от значений коэффициентов Bp 9 а 9 Bg 9 К р функции преобразова ния аналогового перемножителя 7 и коэффициента передачи К масштабного преобразователя 8, Напряжение интегратора 10 преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 14 и возводится в квадрат цифровым квадратором 15, на выходе которого будет получено напряжение, пропорциональное измеряемой актив-ной мощности нагрузки: где К,К „,К, — коэффициенты передачи 199 14 9 блока аналогового усреднения, аналого-цифрового преобразователя, цифрового квадратора. Таким образом, независимость результата измерения (34) мощности от значений аддитивной составляющей а,, коэффициентов а „ и а, характеризующих линейное пролезание по первому и второму входам и коэффициента пере15 ?5 Я Цифровой измеритель мощности паременно-о тока, содержащий входной преобразователь напряжения, входной преобразователь тока, первый фазоинвертор, аналоговый перемножитель9 интегратор, блок аналогового усреднения, выход которого подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом цифрового квадратора, выход интегратора подключен к входу блока аналогового усреднения, отличающийся тем, что9 с целью повышения точности измерения, в него дополнительно введены три управляемых двухполюсных переключателя, второй фазоинвертор, масштабный преобраэователь9 генератор импульсов, триггер, а интегратор выполнен раэностным, причем выход входного преобразователя напряжения соединен с первым входом первого управляемого двухполюсного переключателя, второй и четвертый входы которого объединены и подключены к выходу раэностного интегратора, выход входного преобразователя тока подключен к третьему входу первого управляемого. двухполюсного переключателя, первый выход которого соединен через первый фазоинвертор с первым входом второго управляемого двухполюсного переключателя и непосредственно с вторым входом указанного переключателя, третий вход которого соединен с выходом второго фазоинвертора, вход которого подключен к второму выходу первого. управляемого двухполюсного переключателя и четвертому входу второго управляемого двухполюсного переключателя, первый и второй выходы которого соединены с первым и вторым входами аналогового перемножителя соответственно,выход которого через.масштабный преобразователь соединен с вторым и третьим входами третьего управляемого двухполюсного переклю13 1511702 Составитель С.Хромов Редактор А.Долинич - Техред М,Дидик Корректор М.Максимишинец Заказ 5899/49 Тираж 714 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Иосква, Ж-35, Раушскап наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 чателя, первый и четвертый входы которого соединены с общей шиной, а первый и второй его выходы подключены соответственно к инвертирующему и неинвертирующему входам разностного интегратора, выход генератора импульсов соединен с входом « правления второгс - правляемого дв и;полк:.,.ого переключателя и счетным входом триггера, единичный выход которого подключен к входам управления первого", и третьего двухполюсных переключателей.
