измеритель реактивной мощности

Формула изобретения

1. Измеритель реактивной мощности (РМ), содержащий измерительный трансформатор напряжения и измерительный трансформатор тока, выходы которых подключены к перемножающему устройству, а к выходам последнего подключены входы блока выделения постоянной составляющей сигнала РМ, отличающийся тем, что в него введен блок определения характера РМ, сигнальные входы которого подключены к выходам блока выделения постоянной составляющей сигнала РМ, одни из управляющих входов подключены непосредственно к выходной обмотке измерительного трансформатора напряжения, а другие управляющие входы - к выходной обмотке измерительного трансформатора напряжения через сдвигающее устройство, причем выход блока определения характера РМ является выходом измерителя РМ.

2. Измеритель РМ по п.1, отличающийся тем, что блок определения характера РМ содержит четыре переключающих ключа и инвертор сигнала, два переключающих ключа образуют последовательную цепь, соединяющую вход и выход блока определения характера РМ, а два других переключающих ключа и инвертор сигнала образуют другую последовательную цепь, соединяющую также вход и выход блока определения характера РМ.

3. Измеритель РМ по п.1, отличающийся тем, что блок определения характера РМ содержит три переключающих ключа и инвертор сигнала, два переключающих ключа образуют последовательную цепь, соединяющую вход и выход блока определения характера РМ, а инвертор сигнала, третий переключающий ключ и один из первых ключей образуют другую последовательную цепь, соединяющую также вход и выход блока определения характера РМ.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в измерительных преобразователях реактивной мощности как при синусоидальных, так и при несинусоидальных формах напряжения и тока, а также в качестве датчика реактивной мощности при учете реактивной энергии. Реактивная мощность (РМ) характеризует энергию, потребляемую от источника, идущую на создание электрического и магнитного полей в нагрузке и возвращаемую в источник в течение каждого полупериода напряжения сети.

Известны различные типы измерителей РМ, предназначенные для измерения реактивной энергии в электрических сетях, к которым относятся приборы электродинамической системы (ваттметры) [1], а также электронные преобразователи (датчики) РМ [2]. К недостаткам упомянутых измерителей относится то, что они при несинусоидальной форме напряжения или тока имеют погрешность, зависящую от формы напряжения сети. Причем эта погрешность прямо пропорциональна коэффициенту несинусоидальности напряжения и тока.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по сущности является измеритель РМ [3], который содержит измерительный трансформатор напряжения и трансформатор тока, выходы которых подключены к перемножающему устройству, а к выходу последнего подключены входы блока выделения постоянной составляющей сигнала РМ. Известный измеритель может быть использован для измерения РМ как при синусоидальных, так и при несинусоидальных формах напряжения и тока.

Однако известный измеритель РМ не позволяет определить характер РМ, т.е. не позволяет определить индуктивный или емкостный характер действующей нагрузки. Отсюда, известный измеритель не используется в системах автоматического регулирования для компенсации реактивной энергии, например в возбудителях синхронных машин.

Задача данного изобретения заключается в устранении указанного недостатка, т.е. в создании измерителя РМ с определением характера РМ.

Поставленная задача достигается тем, что в РМ, содержащий измерительный трансформатор напряжения и трансформатор тока, выходы которых подключены к перемножающему устройству, а к выходу последнего подключены входы блока выделения постоянной составляющей сигнала РМ, введен блок определения характера РМ, сигнальные входы которого подключены к выходам блока выделения постоянной составляющей сигнала РМ, а сигнальные выходы которого являются выходами РМ. Одни из управляющих входов подключены непосредственно к выходной обмотке измерительного трансформатора напряжения, а другие управляющие входы - через сдвигающее устройство. В одном варианте исполнения измерителя блок определения характера РМ содержит четыре переключающих ключа и инвертор сигнала, два переключающих ключа образуют последовательную цепь, соединяющую вход и выход блока определения РМ, а два других ключа и инвертор сигнала образуют другую последовательную цепь, соединяющую также вход и выход блока определения характера РМ. В другом варианте исполнения измерителя блок определения характера РМ содержит три переключающих ключа и инвертор сигнала, два переключающих ключа образуют последовательную цепь, соединяющую вход и выход блока определения характера РМ, а третий ключ и один из первых ключей с инвертором сигнала образуют другую последовательную цепь, соединяющую также вход и выход блока определения характера РМ.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема предлагаемого измерителя РМ; на фиг.2 - вариант выполнения блока выделения постоянной составляющей сигнала РМ; на фиг.3 и на фиг.4 - функциональные схемы выполнения блока определения характера РМ; на фиг.5 - приведены временные диаграммы измерителя РМ для случая индуктивной нагрузки при несинусоидальном токе (случай емкостной нагрузки не показан, т.к. процессы формирования и полярности сигналов идентичны, за исключением временного сдвига тока относительно напряжения и, следовательно, временного сдвига выходного сигнала блока детектирования); на фиг.6 - приведены временные интервалы работы ключей относительно выходного напряжения измерительного трансформатора.

Предлагаемый измеритель РМ содержит измерительный трансформатор 1 напряжения и измерительный трансформатор 2 тока, выходы которых соединены с входами перемножающего устройства 3. В качестве перемножающего устройства 3 в предлагаемом измерителе может использоваться импульсное перемножающее устройство. Выходы перемножающего устройства 3 соединены со входами блока 4 выделения постоянной составляющей сигнала РМ. В измеритель РМ введен блок 5 определения характера РМ, сигнальные входы которого подключены к выходам блока 4 выделения постоянной составляющей сигнала РМ, а сигнальные выходы блока 5 определения характера РМ являются выходами РМ, одни из управляющих входов блока 5 подключены непосредственно к выходной обмотке измерительного трансформатора 1 напряжения, а другие управляющие входы - через сдвигающее устройство 6. В качестве сдвигающего устройства может использоваться интегратор напряжения.

Блок 4 (см. фиг.2) выделения постоянной составляющей сигнала РМ может быть выполнен в виде компаратора 7 и управляемого ключа 8.

В одном варианте исполнения измерителя блок 5 определения характера РМ содержит инвертор 9 сигнала и четыре переключающих ключа 10-13. Два переключающих ключа 10, 11 образуют последовательную цепь, соединяющую вход и выход блока 5 определения РМ, а инвертор 9 сигнала и два других переключающих ключа 12, 13 образуют другую последовательную цепь, соединяющую также вход и выход блока 5 определения характера РМ.

В другом варианте исполнения измерителя блок 5 определения характера РМ содержит инвертор 9 сигнала и три переключающих ключа 10, 11, 12. Два переключающих ключа 10, 11 образуют последовательную цепь, соединяющую вход и выход блока 5 определения характера РМ, а инвертор 9 сигнала, третий переключающий ключ 12 и ключ 11 образуют другую последовательную цепь, соединяющую также вход и выход блока 5 определения РМ.

Работает измеритель РМ следующим образом.

Напряжение на нагрузке одновременно поступает на первичную обмотку измерительного трансформатора 1 напряжения. На выходной обмотке измерительного трансформатора 1 напряжения получается мгновенное напряжение

U₁=к_и*U_н,

где к _и - коэффициент трансформации измерительного трансформатора 1 напряжения;

U_н - мгновенное напряжение на нагрузке.

Ток нагрузки проходит через первичную обмотку измерительного трансформатора 2 тока и на его выходной обмотке получается мгновенное напряжение

U₂=к_i *i_н*R₂,

где к_i - коэффициент трансформации измерительного трансформатора 2 тока;

i _н - мгновенный ток нагрузки;

R₂ - сопротивление нагрузки на выходе измерительного трансформатора 2 тока.

Сигналы с измерительного трансформатора 1 напряжения и измерительного трансформатора 2 тока подаются на входы перемножающего устройства 3. Выходное напряжение U₃ (см. фиг.3) перемножающего устройства поступает на вход блока 4 выделения постоянной составляющей сигнала РМ, который представляет собой управляемый ключ, пропускающий одну из полярностей выходного напряжения U₃ (на фиг.5 - отрицательную полярность), т.е., пропускающий на время возврата запасенной энергии из нагрузки в сеть. Это происходит дважды за период.

Напряжение U₃ усиливают и ограничивают компаратором 7 блока 4 выделения постоянной составляющей сигнала РМ (см. фиг.2). Тем самым на выходе компаратора 7 получают импульсы напряжения U₇ прямоугольной формы, моменты изменения полярности которых совпадают с моментами изменения полярности напряжения U₃. Компаратором 7 управляется ключ 8. В промежутках времени 0-t₁ и t₂-t₃ ключ замкнут. В течение этих промежутков времени запасенная в нагрузке энергия возвращается в сеть. Мгновенное выходное напряжение U₄ блока 4 выделения постоянной составляющей сигнала РМ будет пропорционально мгновенной мощности, отдаваемой в нагрузку. Среднее значение выходного напряжения U₄ блока 4 выделения постоянной составляющей сигнала РМ дает информацию о текущем значении (величине) мощности, отдаваемой в нагрузку. Однако в выходном напряжении U₄ еще нет информации о характере РМ. Как при индуктивной, так и при емкостной нагрузке полярность напряжения U₄ остается неизменной.

Напряжение U₁ с выходной обмотки измерительного трансформатора 1 напряжения подают на сдвигающее устройство 6 и одновременно на один из управляющих входов блока 5 определения характера РМ. Напряжение U₆ с выхода сдвигающего устройства 6 подают на другой управляющий вход блока 5 определения характера РМ.

В одном из вариантов (см. фиг.3) выполнения блока 5 определения характера РМ два переключающих ключа 10, 12 управляются напряжением U₆ с выхода сдвигающего устройства 6, а два других переключающих ключа 11, 13 - напряжением U₁ c выходной обмотки измерительного трансформатора 1 напряжения. Предположим, что в переключающих ключах 10-13 средний контакт замкнут с верхним контактом при положительном входном управляющем напряжении и с нижним контактом при отрицательном входном напряжении. Тогда на интервалах времени /2÷ и 3 /2÷2 (см. фиг.6), когда напряжения U₁, U₆ имеют одинаковые полярности, напряжение U₄ передается через ключи на выход блока 5 определения характера РМ. На интервалах времени 0÷ /2 и ÷3 /2, когда напряжения U₁ и U₆ имеют разные полярности, на выход блока 5 определения характера РМ передается напряжение (-U₄) с выхода инвертора 9 сигнала. Следовательно, если импульсы напряжения U₄ попадают в интервалы /2÷ и 3 /2÷2 , то можно утверждать о емкостном характере нагрузки, т.е. об опережении тока нагрузки. Если же импульсы напряжения U ₄ попадают в интервалы 0÷ /2 и ÷3 /2, то можно утверждать о индуктивном характере нагрузки, т.е. об отставании тока нагрузки от напряжения. Отсюда, на выходе блока 5 определения характера РМ получают напряжение U₅ различной полярности, U₄ или (-U₄) в зависимости от характера нагрузки. После сглаживания импульсов напряжения U₅ можно получить постоянное напряжение, значение которого пропорционально, а по знаку соответствует характеру РМ.

В другом варианте (см. фиг.4) выполнения блока 5 определения характера РМ два переключающих ключа 10, 12 управляются напряжением U₆ с выхода сдвигающего устройства 6, а переключающий ключ 11 управляется напряжением U₁ с выходной обмотки измерительного трансформатора 1 напряжения. В данном варианте выполнения блока 5 определения характера РМ процессы передачи напряжения будут аналогичны процессам передачи напряжения в первом варианте с той лишь разницей, что роль ключа 12 выполняет ключ 11.

Таким образом, предлагаемый измеритель РМ может быть использован в системах автоматического регулирования, в частности в возбудителях синхронных машин для компенсации РМ.

В связи с тем, что в предлагаемом измерителе сохраняется непосредственное перемножение мгновенных значений напряжения U_н(t) и тока i_н(t) в процессе возврата энергии в сеть, т.е. мгновенные значения сигналов u₁ и u₂ не подвергаются каким-либо дополнительным преобразованиям (например, прохождением через фазосдвигающие устройства), то, следовательно, сохраняется точность измерения РМ как при синусоидальных, так и при несинусоидальных режимах потребления энергии. Погрешность сдвигающего устройства 6 не влияет на точность измерения РМ, так как напряжение U₆ задает всего лишь вышеупомянутые определенные интервалы времени относительно момента изменения полярности напряжения U₁.

Источники информации

1. Электрические измерения. Учебник для ВУЗов. / Байда Л.И., Добротворский Н.С., Душнин Е.М. и др. - Л.: Энергия. 1980. 118 с.

2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации счетчика электрического трехфазного активной и реактивной энергии. 441 с.

3. Патент РФ 2168727. G 01 R 21/06. Электронный измеритель реактивной мощности. / А.П.Попов, А.В.Калинин. Опубл. 10.06.2001.