Способ измерения активной и реактивной мощности в цепях синусоидального тока и устройство для его осуществления
Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения активной и реактивной составляющих мощности в цепях синусоидального тока. Измеряют трижды мгновенные значения тока и напряжения в равноотстоящие моменты времени, в каждом из измерений мгновенные значения тока и напряжения измеряют одновременно, интервал времени между измерениями выбирают из соотношения , где T - период сигнала в исследуемой цепи, значения активной P и реактивной Q составляющих мощности вычисляют по выражениям: где I1, I2, I3 - мгновенные значения тока в первом, втором и третьем измерениях, U1, U2, U3 - мгновенные значения напряжения в первом, втором и третьем измерениях. Устройство для осуществления способа содержит преобразователи 1, 2 напряжения и тока в код, мультиплексор 3, вычислительный блок 4, блок 5 управления, генератор 6 опорной частоты, ключ 7, счетчик 8, схему 9 сравнения кодов, регистр 10 сдвига. Способ характеризуется высоким быстродействием. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения активной и реактивной мощности в цепях синусоидального тока.
Известен способ определения активной и реактивной мощности [1] заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения, формируют сигналы, ортогональные измеренным, нормируют их, перемножают напряжение с ортогональной копией тока, ток с ортогональной копией напряжения, ток с напряжением, и их ортогональные копии, которые затем суммируют и вычитают с последующим усреднением за период основной частоты, и затем вычисляют составляющие мощности. Однако данный способ обладает низким быстродействием, обусловленным тем, что время измерения составляет не менее периода входного сигнала. Известен способ измерения активной и реактивной мощности [2] заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения, перемножают и усредняют результаты перемножения за период, перемноженные сигналы разделяют по знаку и усредняют отдельно, а затем вычисляют составляющие мощности. Однако данный способ обладает низкой точностью, обусловленной необходимостью выполнения операции перемножения в аналоговой форме, и низким быстродействием, обусловленным тем, что время измерения составляет не менее периода входного сигнала. Наиболее близким по технической сущности является способ измерения активной и реактивной мощности [3] заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения в n точках периода, причем мгновенные значения тока и напряжения измеряют со сдвигом по фазе на углы 1 и 2,, затем эти значения перемножают для каждого из углов 1 и 2,, суммируют и по полученным числовым эквивалентам вычисляют составляющие мощности. Недостатком данного способа является низкое быстродействие, обусловленное тем, что наименьшее время измерения составляет не менее 2/3 периода входного сигнала. Цель изобретения повышение быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения активной и реактивной мощности в цепях синусоидального тока, включающему измерения мгновенных значений тока и напряжения в равноотстоящие друг от друга моменты времени, вычисление значений составляющих мощности по результатам измерений, выполняют три измерения, в каждом из которых мгновенные значения тока и напряжения измеряют одновременно, интервал времени t между измерениями выбирают удовлетворяющим соотношению где T период сигнала в исследуемой цепи, а значения составляющих мощности вычисляют по выражениям: где P, Q значения соответственно активной и реактивной составляющих мощности; I1, I2, I3 мгновенные значения тока, полученные в первом, втором и третьем измерениях; U1, U2, U3 мгновенные значения напряжения, полученные в первом, втором и третьем измерениях. На фиг. 1 представлены временные диаграммы, поясняющие способ; на фиг. 2 блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг. 3 временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Сущность способа состоит в определении активной и реактивной составляющих мощности по результатам трех измерений мгновенных значений тока и напряжения в равноотстоящие друг от друга моменты времени, в каждом из которых мгновенные значения тока и напряжения измеряют одновременно, интервал времени t между измерениями выбирают удовлетворяющим соотношению , где T период сигнала исследуемой цепи, согласно выражениям:где U1, U2, U3 мгновенные значения напряжения исследуемой цепи;
I1, I2, I3 мгновенные значения тока в исследуемой цепи. Если сигналы напряжения и тока в исследуемой цепи содержат только первые гармоники, то
U1=Umsin1; U2=Umsin(1+t);
U3=Umsin(1+2t); I1=Imsin2;
I2=Imsin(2+t); I3=Imsin(2+2t),
где 1, 2 начальные фазы сигналов напряжения и тока;
t=t2-t1=t3-t2 интервал времени между двумя соседними выборками (фиг. 1). При измерении активной мощности выражение (1) принимает вид:
Так как
Аналогично
В результате выражение принимает вид
Так как 1-cost=2sin2t;
cos21-cos(21+2t)=2sin(21+t)sint;
cos22-cos(22+2t)=2sin(22+t)sint,
то выражение принимает вид
Так как sint+sin(21+t)=2sin(1+t)cos1;
sint+sin(22+t)=2sin(2+t)cos2;
1-cos2t=sin2t,
то получим
Откуда
Так как cos1cos2+sin1sin2=cos(1-2),
то
где угол сдвига фаз между направлением и током. Отсюда следует, что выражение (1) соответствует значению активной мощности. При измерении реактивной мощности выражение (2) принимает вид:
Используя те же соотношения, что и при выводе формулы для активной мощности, получим
Откуда
Так как sin1cos2-cos1sin2=sin(1-2), то
Отсюда следует, что выражение (2) соответствует значению реактивной мощности. Устройство, реализующее предлагаемый способ (фиг. 2), содержит преобразователь напряжения в код 1, преобразователь тока в код 2, мультиплексор 3, вычислительный блок 4, блок 5 управления, генератор опорной частоты 6, ключ 7, счетчик 8, схему сравнения кодов 9, регистр сдвига 10, причем входные клеммы подключены к входам соответственно преобразователей напряжения 1 и тока 2, выходы которых соединены соответственно с входами мультиплексора 3, выход которого соединен с входом вычислительного блока 4, а управляющий вход соединен с вторым выходом блока 5 управления, подключенного первым, третьим и четвертым выходами соответственно к объединенным управляющим входам преобразователей напряжения 1 и тока 2, управляющим входам вычислительного блока 4 и ключа 7, а первым, вторым и третьим входами соответственно к выходам генератора опорной частоты 6, схемы сравнения кодов 9 и к шине "Пуск", соединенной с объединенными входами начальной установки регистра сдвига 10, вычислительного блока 4 и счетчика 8, при этом вход и выход ключа 7 соединены соответственно с выходом генератора опорной частоты 6 и входом счетчика 8, подключенного выходом к первому входу схемы сравнения кодов 9, второй вход и выход которой соединены соответственно с выходом и управляющим входом регистра сдвига 10. Устройство работает следующим образом. После подачи импульса на шину "Пуск" устройства счетчик 8 обнуляется, вычислительный блок 4 переходит к началу выполнения программы, в регистр сдвига 10 записывается код Nt. Мультиплексор 3 подключает выход преобразователя напряжения 1 к информационному входу вычислительного блока 4. По команде с блока 5 управления в момент времени t1 (фиг. 1) преобразователи напряжения 1 и тока 2 преобразуют входные сигналы в код. Величина напряжения на входе преобразователя напряжения 1 в это время равна U1=Umsin1 а величина тока на входе преобразователя тока 2 равна I1=Imsin2. Одновременно замыкается ключ 7 и импульсы с генератора 1 опорной частоты 6 начинают поступать на счетный вход счетчика 8. Блок 5 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 4. Код N1U, пропорциональный напряжению U1, записывается в вычислительный блок 4. После этого по команде с блока 5 управления мультиплексор 3 подключает выход преобразователя тока 2 к информационному входу вычислительного блока 4. Блок 5 управления формирует сигнал запроса на ввод, который поступает на управляющий вход вычислительного блока 4. Код N1I, пропорциональный току I1, записывается в вычислительный блок 4. По команде с блока 5 управления мультиплексор 3 подключает выход преобразователя напряжения 1 к информационному входу вычислительного блока 4. В момент времени t2, когда код на выходе счетчика 8 принимает значение Nt, на выходе схемы сравнения кодов 9 появится импульс, так как на второй вход схемы сравнения кодов 9 с выхода регистра сдвига 10 подан код Nt. Этот импульс поступает в блок 5 управления и запускает преобразователи напряжения 1 и тока 2. Величина напряжения на входе преобразователя напряжения 1 в это время равна U2=Umsin(1+t), а величина тока на входе преобразователя тока 2 равна I2=Imsin(2+t). По отрицательному фронту импульса с выхода схемы сравнения кодов 9 производится сдвиг регистра 10 влево. На выходе регистра 10 устанавливается код 2Nt. На выходе блока 5 управления формируется сигнал запроса на ввод и код N2U, пропорциональный напряжению U2, с выхода преобразователя напряжения 1 записывается в вычислительный блок 4. После этого по команде с блока 5 управления мультиплексор 3 подключает выход преобразователя тока 2 к информационному входу вычислительного блока 4. Блок 5 управления формирует сигнал запроса на ввод и код N2I, пропорциональным току I2, с выхода преобразователя тока 2 записывается в вычислительный блок 4. По команде с блока 5 управления мультиплексор 3 подключает выход преобразователя напряжения 1 к информационному входу вычислительного блока 4. В момент времени t3, когда код на выходе счетчика 8 примет значение 2Nt, на выходе схемы сравнения кодов 9 появится импульс, так как на второй вход схемы сравнения кодов 9 с выхода регистра сдвига 10 подан код 2Nt. Этот импульс поступает в блок 5 управления и запускает преобразователи напряжения 1 и тока 2. Величина напряжения на входе преобразователя напряжения 1 в это время равна U3=Umsin(1+2t), а величина тока на входе преобразователя тока 2 равна I3=Imsin(2+2t).. На выходе блока 5 управления формируется сигнал запроса на ввод и код N3U, пропорциональный напряжения U3, записывается в вычислительный блок 4. После этого по команде с блока 5 управления мультиплексор 3 подключает выход преобразователя тока 2 к информационному входу вычислительного блока 4. Блок 5 управления формирует сигнал запроса на ввод и код N3I, пропорциональный току I3, записывается в вычислительный блок 4. В вычислительном блоке 4 выполняются вычисления согласно выражениям:
где
. Выходные коды Np и NQ пропорциональны соответственно активной и реактивной составляющим мощности. Сомножитель sint в знаменателях выражений (3) и (4) обращается в ноль, если t=k, где k 0; 1; 2. Этот случай невозможен, так как Dt0, а выбирается из условия t< или . Знаменатели выражений (3) и (4) могут обращаться в ноль, если или I2=Imsin(2+t)=0. Для того, чтобы устранить возможность деления на ноль, в вычислительном блоке 4 производится анализ кодов N2U и N2I, пропорциональных напряжению U2 и току I2. Если, например, U2 0, а I2 0, то интервал времени t увеличивается в 2 раза, т. е. t=2t=t3-t1 (фиг. 3). В этом случае процесс измерения продолжается после момента времени t3. По заднему фронту импульса с выхода схемы сравнения кодов 9, появляющемуся в момент t3, производится сдвиг регистра 10. На выходах регистра 10 устанавливается код 4Nt. В момент времени t4 (фиг. 3), когда код на выходе счетчика 8 примет значение 4Nt, на выходе схемы сравнения кодов 9 появится импульс, так как на второй вход схемы сравнения 9 с выхода регистра 10 подан код 4Nt. Этот импульс поступает в блок 5 управления и запускает преобразователи напряжения 1 и тока 2. Величина напряжения на входе преобразователя напряжения 1 в это время равна U4=Umsin(1+4t) а величина тока на входе преобразователя тока 2 равна I4=Imsin(2+4t). По сигналам запроса на ввод, поступающим с блока 5 управления, код N4U, пропорциональный напряжению U4 и код N4I, пропорциональный току I4, поочередно записываются в вычислительный блок 4. В вычислительном блоке 4 выполняются вычисления согласно выражениям:
В случае, если U20, а I2 0, выходные коды определяются согласно следующим выражениям:
В случае, если U2 0, I2 0, выходные коды определяются согласно следующим выражениям:
Длительность временного интервала t выбирается минимальной и ограничена в основном только временем преобразования сигнала в код в преобразователях напряжения 1 и тока 2. В качестве вычислительного блока 4 может быть использована микроЭВМ или специальное программно-управляемое вычислительное устройство. В известном способе измеряют мгновенные значения тока и напряжения в n точках периода, равномерно расположенных на периоде входного сигнала. При измерении в цепях синусоидального тока число точек n должно быть не менее 3. Таким образом, минимальное время измерения в известном способе составляет не менее 2/3 периода входного сигнала. Данный способ обеспечивает более высокое быстродействие, так как время измерения не зависит от длительности периода сигнала, а определяется только длительностью временного интервала t..
Формула изобретения
где Т период сигнала в исследуемой цепи,
а значения составляющих мощности вычисляют по выражениям
где P, Q значения соответственно активной и реактивной составляющих мощности;
I1, I2, I3 мгновенные значения тока, полученные в первом, втором и третьем измерениях;
U1, U2, U3 мгновенные значения напряжения, полученные в первом, втором и третьем измерениях. 2. Устройство для измерения активной и реактивной мощности в цепях синусоидального тока, содержащее преобразователь напряжения в код, преобразователь тока в код, входные клеммы, подключенные к входам соответственно преобразователей тока и напряжения, блок управления, вычислительный блок, счетчик, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены генератор опорной частоты, ключ, схема сравнения кодов, регистр сдвига и мультиплексор, входы которого соединены с выходами соответственно преобразователей тока и напряжения, выход соединен с входом вычислительного блока, а управляющий вход с вторым выходом блока управления, подключенного первым, третьим и четвертым выходами соответственно к объединенным управляющим входам преобразователей тока и напряжения, управляющим входам вычислительного блока и ключа, а первым, вторым и третьим входами соответственно к выходам генератора опорной частоты, схемы сравнения кодов и к шине "Пуск", соединенной с объединенными входами начальной установки регистра сдвига, вычислительного блока и счетчика, при этом вход и выход ключа соединены соответственно с выходом генератора опорной частоты и входом счетчика, подключенного выходом к первому входу схемы сравнения кодов, второй вход и выход которой соединены соответственно с выходом и управляющим входом регистра сдвига.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3