Устройство для измерения симметричных составляющих напряжений трехфазной сети

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ о 765760 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) 3aявлено 25.09.78 (21) 2666345/18-21 с присоединением заявки РЙ— (23) Приоритет— (5t)M. Кд.

G 01 R 29/16

Гооудвротееииы1 комитет

СССР по делам изооретеиий и открытий (53 ) УД К 621.317. .322 (088.8) Опубликовано 23.09.80. 5näëåòåöb p@ 35

Дата опубликования описания 23.09.80 (72) Автор изобретения

О. Л. Карасинский

Институт электродинамики АН Украинской ССР (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИММЕТРИЧНЫХ

СОСТАВЛЯЮЩИХ НАПРЯЖЕНИЙ ТРЕХФАЗНОЙ

СЕТИ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения симметричных составляющих основной частоты и гармоник напряжений трехфаэной сети.

Известно устройство для измерения симметричных составляющих прямой и обратной после- довательностей системы трехфазных напряжений, которое содержит фильтр боковой частоты, преобразователь трехфазной системы напряжений в m-фаэную, двухполупериодные выпрямители, частотно избирательный фильтр, вольтметр (11.

Это устройство позволяет измерять симметричные составляющие гармоник напряжений трехфазной сети. Однако применение громоздких и сложных в изготовлении многофазных трансформаторов, необходимость подбора диодов по идентичным вольтамперным характеристикам, а также применение селективных фильтров, настроенных на различные гармоники напряжения, понижает точность определения симметричных составляющих напряжений.

Известно также устройство для измерения амплитудно-фазовой несимметрии трехфаэной системы напряжений, которое содержит генератор модулирующих напряжений, три одинаковых кольцевых модулятора, входы которых присоединены к фазовым проводам трехфазной.системы и к генератору модулирующих напряжений, индикатор (2). K погрешностям этого устройства относится трудность получения трехфаэной системы модулирующих напряжений, имеющих постоянный фазовый сдвиг, равный 2я/3, наличие двух перестраиваемых фазосдвигающих цепей, которые затрудняют настройку устройства по максимальному показанию индикатора, недостаточно высокая точность измерения.

Цель изобретения — повышение точности и расширение функциональных возможностей.

Достигается это тем, что в устройство для измерения симметричных составляющих напряжений трехфазной сети, содержащее генератор, блок сдвига фазы и индикатор введены блок суммирования напряжений, пеоеключатель, блок умножения, дешифратор на восемь входов, счетчик, состоящий из двух последовательно соединенных триггеров, умножитель частоты, преобразователь кода в число импульсов, делитель напряжений, два фильтра низких частот, два з 76576 элемента И и пять управляемых ключей, причем входные шины через блок суммирования напряжений и переключатель подключены к входам первого, второго и третьего ключей, управляющие входы которых подключены к выходам дешифратора, а выходы ключей объединены и подключены к входу блока умножения, к двум установочным входам которого подключены выходы элементов И, к управляющему входу — выход преобразователя кода в число импульсов, к управляющему входу которого подключен задатчик номера гармоники, одна из входных шин через умножитель частоты подг ключена к входу преобразователя кода в число импульсов, и к первому входу блока сдвига, фазы, второй вход которого через первый фильтр низкой частоты и четвертый управляемый ключ, а третий вход через делитель напряжения, второй фильтр низкой частоты и пятый управляемый ключ подключены к выходу блока умножения, выход блока сдвига фаз подключен к первым входам элементов И и к входу первого триггера счетчика, выходы первого триггера счетчика подключены к нечетным входам дешифратора и к вторым входам элементов И, выходы второго триггера подключены к четным входам дешифратора и к управляющим входам четвертого и пятого ключей, а выход второго фильтра низкой частоты подключен к индикатору.

При этом блок умножения содержит распределительное устройство, ключи, взвешивающие резисторы и операционный усилитель с резистором обратной связи, причем входы распределительного устройства подключены к установочным и управляющему входам блока умножения, а его выходы через ключи и взвешивающие резисторы подключены к входу операционного усилителя, выход которого является выходом блока умножения, а дешифратор выполнен в виде четырех элементов И и элемента ИЛИ, причем выходы двух элементов И подключены к выходу дешифратора непосредственно, а выходы двух других элементов через элемент

ИЛИ.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения симметричных составляющих напряжений трехфазной сети.

Входные шины А, В, С через блок 1 суммирования напряжений, переключатель 2, ключи 3, 50

4, 5 соединены с блоком 6 умножения. Одна из входных шин через умножитель частоты 7 подключена к первому входу блока 8 сдвига фазы импульсов. Выход умножителя частоты через преобразователь 9 кода в число импульI 55 сов, к управляющим входам которого присоединен задатчик 10 номера гармоники, подключен к управляющему входу блока умножения.

Выход блока умножения через ключи 11, 12

0 4

)соединен с фильтрами 13, 14 низких частот.

Выход фильтра 13 присоединен к второму входу блока сдвига фазы, а выход фильтра 14— к индикатору 15, а через делитель 16 напряжения — к третьему входу блока сдвига фазы, выход которого подключен к счетчику 17, который состоит из триггеров 18, 19, и к первым входам элементов И 20 и 21. Вторые входы элементов И 20 и 21 присоединены к триггеру

18, а их выходы — к установочным входам блока умножения. Выходы триггера 19 подключены к управляющим входам ключей ll и 12.

Выходы счетчика через дешифратор 22 соединены с управляющими входами ключей.3, 4 и 5.

Блок умножения содержит распределительное устройство 23, установочные входы которого подключены к элементам И 20 и 21, а управляющий вход — к преобразователю кода в число импульсов, ключи 24, управляющие входы которых соединены с выходами распределительного устройства, взвешивающие резисторы 25, которые подключены к входу операционного усилителя 26, охваченного обратной связью через резистор 27. Взвешивающие резисторы 25 через ключи 24 присоединены к выходам ключей 3, 4и5.

Дешифратор 22 содержит элементы И 28 — 3!, входы которых соединены с выходами счетчика 17, и элемент ИЛИ 32. При этом выходы элементов И 28 и 29 объединены через элемент

ИЛИ 32 и подключены к управляющему входу ключа 3, а выходы элементов 30 и 31 — к управляющим входам ключей 4 и 5.

Один цикл работы устройства соответствует четырем периодам напряжения сети.

Блок 1 суммирования напряжений содержит измерительные трансформаторы, первичные обмотки которых подключены к входным шинам, а вторичные обмотки соединены таким образом, чтобы на выходах 33 — 36 блока 1 напряжения были соответственно авные

P

1 = (ОА + UQ + Ос)

О, = (1.1 „— « О - О,) з =-,,(О,"-,)

u„= — (u -U ) у с где U, U>, 0с — фаэные напряжения трехфаэной сети.

Левое по схеме положение переключателя 2 соответствует режиму измерения напряжения нулевой последовательности Uo, при этом напряжение V,,подается на вход ключа 5, а входы ключей 4 и 3 подключаются к общей шине, Среднее по схеме положение переключателя 2 соответствует режиму измерения напряжения прямой последовательности U,, при этом на вход ключа 5 подается напряжение 0 на вход

765760 (6) (2-) (3) «ь1

5у р ц А1

fJ

Sy "1

Ro где и = 2 -ключа 4 — напряжение 0з, на вход ключа 3 напряжение 04.

Правое по схеме положение переключателя

2 соответствует режиму измерения напряжения обратной последовательности U при этом на вход ключа 5 подается напряжение 07, на вход ключа 4 — напряжение 04, на вход ключа 3 — напряжение 0з.

Номер гармоники исследуемой симметричной составляющей напряжения устанавливается 10 на задатчике 10.

Распределительное устройство 23 имеет 2 .устойчивых состояний причем каждому состоянию S соответствует подключение определенного взвешивающего резистора. Естественной 15 смене состояний распределительного устройства

23 соответствует последовательное во време- l ни подключение взвешивающих резисторов 25 через ключи 24 к выходу одного из управляемых ключей 3, 4 и 5, необходимое для умножения напряжения Us в точке 37 на входе коммутирующих ключей 24 на синусоиду, период которой равен периоду напряжения сети. При этом определяется синусная ортогональная составляющая первои гармоники U напряжения 0>, т.е, со1 25 стоянию S распределительного устройства 23 соответствует подключение резистора, сопротивление которого равно /Ro/sin(, 5)/ к шине 0,, если 0 < $ < 2 или к шине — 0,если

2и1 т-"

2 .< S < 2 (напряжение — 05 получается ин ертированием входного напряжения ключей

24).

Очевидно, для того, чтобы среднее значение выходного напряжения усилителя 26 за пе1 риод было пропорционально синусной 0 е или

il косинусной U ортогональным составляющим у-ой гармоники напряжения U в точке 37, k-ая выборка этого напряжения должна умножаться на sin (1су) или cos(— ky), т.е.

2li 21т

11 И производиться при состоянии $К распределитель- 40 ного устройства 23 соответственно

Sk = m0d> (к у) .

$1 = mod>fll(2 + ky).

ill-2 1

Тогда средние значения напряжений за пери-! а од лри определении 0>, U> соответственно равны

Е Об-К Sill — КУ

Е 0 — „к co5 — „ку, 55 число выборок за период напряжения сети за период Т; время на которое замыкает-, ся ключ 24;

Я0 — сопротивление резистора 27; т

05 — к) — мгновенное значение напряжения 0 в момент k-ой выборки.

Импульсы с выхода умножителя частоты 7, период которых равен Т/и, поступают на первый вход блока 8 сдвига фазы импульсов. Выходной импульс блока 8 совпадает с одним из выходов импульсов умножителя частоты 7 и сдвинут по фазе относительно входного напряжения умножителя частоты 7.

В зависимости от соотношения напряжений на втором и третьем входах блока 8, угол сдвига фазы выходного импульса блока 8 относительно входного напряжения умножителя частоты 7 будет увеличиваться, если

0,< — К0

A 7 (5) нли уменьшаться, если

U. > К 0„ где 0, — нап яжение на выходе ильт а р ф

13;

U7 — напряжение на выходе фильтра

14;

К вЂ” коэффициент передачи делителя

16 напряжения.

Если выполняется соотношение 06 < K U7 7 (7) то фаза выходного импульса блока 8 не изменяется.

Импульс с выхода блока 8 поступает на счетный вход счетчика 17 и элементы И 20, 21.

Этот импульс пройдет на первом и третьем периодах цикла работы устройства через элемент

И 20 и установит распределительное устройство

23 в начальное состояние $О = С, а на втором и четвертом периодах — через элемент И 21 и установит распределительное устройство 23 в начальное состояние So = 2

tn-2

Импульсы с выхода умножителя частоты 7 поступают на преобразователь 9 кода в число импульсов. На выходе преобразователя 9 после каждого входного импульса формируется пачка импульсов, число импульсов в которой равно коду, установленному в задатчике 10 номера гармоники. Эта пачка импульсов поступает на управляющий вход распределительного устройства 23, Начало периода Т отсчитывается от выходного импульса блока 8. После k-го от начала периода Т импульса умножителя частоты 7 состояние SK распределительного устройства 23 будет описываться формулой (2) на первом и третьем периодах цикла работы устройства или формулой (3) — на втором и четвертом периодах.

Выходы триггеров 18 и 19 подключены через дешифратор 22 к управляющим входам ключей 3, 4 и 5, а выходы триггера 19 еще

7 765760 8 и, к ключам 11 и 12. В дешифраторе 22 эле- ключа 3, на втором периоде — косинусная сомента И 28 открывается на первом периоде ставляющая на входе ключа 4, на третьем пецикла работы устройства, элемент И 29 — на риоде — синусная составляющая на входе ключетвертом, элемент И 30 — на втором, элемент ча 5, на четвертом периоде — косинусная соИ 31 — на третьем, Выходы элементов И 28 ставляющая на входе ключа 3. Соответственно

5 . и 29 объединены через элемент ИЛИ 32, по- на фильтре 14 выделяется напряжение пропорэтому ключ 3 открыт на первом и четвертом циональное сумме синусной составляющей на периодах цикла работы устройства, ключ 4 — входе ключа 3 и косинусной составляющей на на втором, ключ 5 — на третьем, ключ 11— входе ключа 4, а на фильтре 13 — сумма сина третьем и четвертом, ключ 12 — на первом 10 нусной составляющей на входе ключа 5 и кои втором. синусной составляющей на входе ключа 3.

На первом периоде цикла работы устройства Комплексные значения симметричных составопределяется синусная ортогональная составля- - ляющих напряжений 7-ой гармоники трехфазной ющая 7-ой гармоники напряжения на входе сети равны ид =ид 1U<< =>((UI<+ j UIgl+l(U II2+i U II21+("can+i с21) и =и .1(и,) -((и, 1и „ 2)+ (- -,-1 )(и,„+1и „,)+(- ;+1 —, )(и „+ди,"Д, 1 I I 1 где О,, 0 1А 0+g, ОАХ, ОВХ, Ос — синусные, Ч, 0, 0 „, UA, U>„,Ос — к ину ортогональные составляющие 7-ой гармоники соответственно напряжений нулевой, прямой, обратной последовательности и фазных напряжений трехфазной сети.

Разделяя выражения (8) на действительные и мнимые части, получим

Сравнивая выражения в скобках в формулах (9) с формулами (1), видим

1 о„=u„,;, i u

+ 2g Э

1 i Н

О и и

1103 041%

11 11

4.g 2g 4 ( (10 .=0 „40, ((0) uof =-, "af "Sr "с, и 4 (и н

"0 g (Ag ЬУ Cg(>

3(1 4 1

+2 Э1 4М 2чбг 2 А) 1 1 I 1 где Ui<, 02г, Озг, 04 — синусные, II и Н А

О,, 02, 0511, 04< — косинусные ортогональные составляющие 7-ой гармоники напряжения на выходе блока 1.

Таким образом, на фильтрах 14 и 13 являс ется синусная и косинусная ортогональные составляющие напряжений нулевой, прямой и обратной последовательности.

Так как блок 8 сдвига фазы импульсов реагирует на соотношение между напряжениями

U< и U„a соответствии с формулами (5), (6), (7), то фаза выходного импульса блока 8 будет изменяться до тех пор, пока не выполнится условие (7).

Учитывая, что U7 = Асозр, Ои = Аяпр, где А — амплитуда, р — начальная фаза относительно начала периода Т симметричной составляющей у-ой гармоники напряжения, то при малых, значениях р, когда выполняется условие (7)

Об ьАр, ОРА ° (11)

При этом на вход индикатора 15 поступает напряжение U> равное амплитуде синусной составляющей 7-ой гармоники нулевой, прямой или обратной последовательности, в зависимости от положения переключателя 2.

+ g (ОСу (1 В 2 и 1 (и 1 и 1 н

" =э ((а sy я у

40 (9) 45

1 (! 1 2 1

g1 А Я Sg 2 cf

Ф вЂ” 0 -0

1(и 1 в 1 и

Ag —,О, -p u

10

9 765760

Погрешность определения амплитуды А по выражению (11) является мультипликативной и зависит от коэффициента умножения частоты и умножителя частоты 7. Погрешность не превосходит 1% при g < 0,14 рада 8, и не превосходит 0,1% при у < 0,04 рад 2,5 .

Соответственно необходимо выбрать коэффициент умножения частоты в первом случае

n > 45, а во втором n > 144. Такие погрешности в большинстве случаев являются вполне 10 допустимыми.

В предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом точность повышена в 3 — 5 раэ и расширены функциональные возможности, так как это устройство позволяет измерять все сим- 15 метричные составляющие как основной частоты, так и высших гармоник напряжений трехфаз яой сети.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения симметричных составляющих напряжений трехфазной сети, содержащее генератор, блок сдвига фазы и инди- 25 катор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, в него введены блок суммирования напряжений, переключатель, блок умножения, дешифратор на восемь вхо- 3л дов, счетчик, состоящий из двух последовательно соединенных триггеров, умножитель частоты, преобразователь кода в число импульсов, делитель напряжений, два фильтра низких частот, два элемента И и пять управляемых ключей, причем входные шины через блок суммирования напряжений и переключатель подключены к входам первого, второго и третьего ключей, управляющие входы которых подключены к выходам дешифратора, а выходы ключей объ- 40 единены.и подключены к входу блока умножения, к двум установочным входам которого подключены выходы элементов И, а к управляющему входу — выход преобразователя кода в число импульсов, к управляющему входу которого подключен задатчик номера гармоники, одна иэ входных шин через умножитель частоты подключена к входу преобразователя кода в число импульсов и к первому входу блока сдвига фазы, второй вход которого через первый фильтр низкой частоты и четвертый управляемый ключ, а третий вход через делитель напряжения, второй фильтр низкой частоты и пятый управляемый ключ подключены к выходу блока умножения, выход блока сдвига фаз подключен к первым входам элементов И и к входу первого триггера счетчика, выходы первого триггера счетчика подключены к нечетным входам децшфратора и к вторым входам . элементов И, выходы второго триггера подключены к четным входам дешифратора и к управляющим входам четвертого и пятого ключей, а выход второго фильтра низкой частоты подключен к индикатору.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что блок умножения содержит распределительное устройство, ключи, взвешивающие резисторы и операционный усилитель с резистором обратной связи, причем входы распределительного устройства подключены к установочным и управляющему входам блока умножения, а его выходы через ключи и взвешивающие резисторы подключены к входу операционного усилителя, выход которого является выходом блока умножения.

3. Устройство по и. 1, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что дешифратор выполнен в виде четырех элементов И и элемента ИЛИ, причем выходы двух элементов И подключены к выходу дешифратора непосредственно, а выходы двух друтих элементов через элемент ИЛИ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 473)26, кл. 6 01 R 29/04, 29.06.73.

2. Авторское свидетельство СССР N 375592, кл. G 01 R29/16,,15.05.70, 765760

Составитель В. Дубков

Техред С. Мигунова

Редактор Е. Гончар

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4

Заказ 6502/43 Тираж 1019

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Корректор И. Муска

Подписное