способ измерения активной и реактивной составляющих тока трехфазной симметричной сети

Формула изобретения

Способ измерения активной и реактивной составляющих тока трехфазной симметричной сети, включающий измерение фазного тока и линейного напряжения двух других фаз, формирование из измеренного напряжения модулирующих прямоугольных импульсов, модуляцию фазного тока этими импульсами и фильтрацию промодулированного сигнала, отличающийся тем, что дополнительно измеряют ток второй фазы, модулируют этот ток прямоугольными импульсами, фильтруют промодулированный сигнал и формируют сумму и разность двух усредненных сигналов, которые пропорциональны величинам измеряемых реактивной и активной составляющих тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в симметричных трехфазных трехпроводных электрических сетях.

Известен способ измерения активной и реактивной составляющих тока трехфазной симметричной сети, включающий измерение фазного тока и линейного напряжения двух других фаз, сдвиг по фазе на четверть периода измеренного напряжения, формирование из измеренного и сдвинутого по фазе напряжений модулирующих прямоугольных импульсов, модуляцию фазного тока сформированными модулирующими импульсами и фильтрацию промодулированных сигналов (А.с. N 1041944, кл. G 01 R 19/06, 1983; Регулятор реактивной мощности типа Б 2201. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 02.2.570.001 TO. Рига, Рижский опытный завод "Энергоавтоматика", 1985, рис. 1).

При реализации такого способа сигнал, пропорциональный реактивной составляющей тока, формируется в результате интегрирования за половину (или определенную часть) периода питающего напряжения, а сигнал, пропорциональный активной составляющей, -интегрированием тока за половину (или определенную часть) периода выходного напряжения фазоповоротного блока, которое имеет сдвиг относительно напряжения на четверть периода.

Опорное напряжение во всех случаях формируют из напряжения сети с помощью пассивных или активных фазосдвигающих цепей, например активно-емкостных фильтров, которые настраиваются таким образом, чтобы при частоте промышленной сети обеспечивался сдвиг опорного сигнала равный 90 эл.град. Однако частота питающий сети, как правило, не остается постоянной, а изменяется. Из-за отклонений частоты от номинального значения изменяется фазовый сдвиг опорного сигнала относительно питающего напряжения, что приводит к увеличению погрешности измерения активной и реактивной составляющих тока. Кроме того, применение фазосдвигающих фильтров, требующих настройки и контроля параметров в процессе эксплуатации, значительно усложняет техническую реализацию известных способов.

Таким образом, недостатки известных способов состоят в том, что при измерении активной и реактивной составляющих синусоидального тока имеет место погрешность, обусловленная изменениями частоты измеряемого тока и сложность технической реализации.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения активной и реактивной составляющих тока трехфазной симметричной сети, включающий измерение фазного тока и линейного напряжения двух других фаз, сдвиг по фазе на четверть периода измеренного напряжения, формирование из измеренного и сдвинутого по фазе напряжений модулирующих прямоугольных импульсов, модуляцию фазного тока сформированными модулирующими импульсами и фильтрацию промодулированных сигналов (Мокин Б.И. Выговский Ю.Ф. Автоматические регуляторы в электрических сетях. Киев: Техника, 1985, с. 63-65, рис. 32-33).

При реализации такого способа сигнал, пропорциональный активной составляющей тока, формируется в результате интегрирования полного тока за половину периода питающего напряжения, а сигнал, пропорциональный активной составляющей путем интегрирования полного тока за половину периода выходного напряжения фазосдвигающего фильтра, которое сдвинуто относительно питающего напряжения на четверть периода. При отклонениях частоты питающей сети от номинального значения изменяется фазовый сдвиг, вносимый фазосдвигающим фильтром, за счет чего появляется погрешность измерения. Кроме того, реализация известного способа требует использования сложных фазосдвигающих фильтров со стабилизированными параметрами или контроля и подстройки фильтров в процессе эксплуатации.

Таким образом, недостатки известного способа состоят в том, что измерение составляющей синусоидального тока осуществляется с погрешностью, обусловленной изменениями частоты измеряемого тока, а также сложность его реализации.

Цель изобретения повышение точности и упрощение технической реализации способа реализации измерения активной и реактивной составляющих тока трехфазной симметричной сети.

Поставленная цель достигается тем, что при известном способе измерения активной и реактивной составляющих тока трехфазной симметричной сети, включающем измерение фазного тока и линейного напряжения двух фаз, формирование из измеренного напряжения модулирующих прямоугольных импульсов, модуляцию фазного тока этими импульсами и фильтрацию промодулированного сигнала, дополнительно измеряют ток второй фазы, модулируют этот ток прямоугольными импульсами, фильтруют промодулированный сигнал и формируют сумму и разность двух сигналов, которые пропорциональны величинам измеряемых реактивной и активной составляющих тока.

Сущность предлагаемого способа измерения активной и реактивной составляющих тока трехфазной симметричной сети заключается в следующем. Фазные напряжения симметричной сети равны соответственно:



где U_M амплитудное значение напряжения.

Фазные токи сети



где фазовый сдвиг.

Линейное напряжение двух фаз, например, В и С равно



Примем за начало отсчета по времени момент t T/4, при котором u_BC 0 и запишем выражения для фазных токов i_B и i_C относительно напряжения



В результате получим:



Cредние значения фазных токов за первую половину периода напряжения u_BC, взятые с обратным знаком, равны соответственно:





Средние значения фазных токов В и С за вторую половину периода равны соответственно:





Разность и сумма средних значений I_Bcp и I_Cср равны соответственно:





Таким образом, из выражений (3) и (4) следует, что разность средних значений сигналов, пропорциональных токам двух фаз С и В, промодулированных линейным напряжением этих фаз, пропорциональна активной составляющей тока I_a, а их сумма пропорциональна реактивной составляющей тока.

Следовательно, если в трехфазной симметричной электрической сети выполнить измерение токов двух фаз и линейного напряжения этих двух фаз, сформировать из измеренного напряжения последовательность прямоугольных модулирующих импульсов, промодулировать фазные токи этими импульсами, профильтровать промодулированные сигналы и сформировать сумму и разность двух сигналов, которые пропорциональны средним значением промодулированных токов, повышается точность измерения и упрощается техническая реализация способа.

На фиг. 1 показан пример технической реализации предлагаемого способа, где 1 трехфазная трехпроводная электрическая сеть; 2 и 3 первый и второй измерительные трансформаторы тока; 4 измерительный трансформатор напряжения; 5 формирователь импульсов; 6 и 7 первый и второй модуляторы; 8 и 9 - первый и второй интеграторы; 10 и 11 первое и второе устройства выборки-хранения; 12 и 13 первый и второй алгебраические сумматоры; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства, где U_BC линейное напряжение двух фаз B и C, i_A, i_B, i_C токи фаз A, B и C, выходные сигналы элементов устройства обозначены символом U с индексом, соответствующим номеру на функциональной схеме (фиг. 1).

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. К питающей трехфазной электрической сети 1 подключены два измерительных трансформатора тока 2 и 3, формирующие сигналы, пропорциональные токам фаз соответственно B и C, и измерительный трансформатор напряжения 4, измеряющий линейное напряжение фаз B и C. Если принять за начало отсчета момент перехода через ноль напряжения т.е.

то фазные токи будут описываться выражениями (1) и (2).

Сигнал u₄ с выхода измерительного трансформатора напряжения 4, пропорциональный линейному напряжению , поступает на вход порогового элемента 5, на выходе которого формируется прямоугольные импульсы



где U_e напряжение, соответствующее уровню логической единицы.

Импульсы U₅ управляют первым 6 и вторым 7 модуляторами, первым 8 и вторым 9 интеграторами со сбросом, первым 10 и вторым 11 устройствами выборки-хранения. При u₅ 0 коэффициенты передачи первого 6 и второго 7 модуляторов равны k₆ k₇ 1, при u₅ U_e значение k₆ k₇ -1. В моменты времени, соответствующие переходу напряжения через 0, т.е. t 0, t Т/2, t Т и т.д. происходит запоминание мгновенных значений выходных напряжений первого 3 и второго 9 интеграторов соответственно в первом 10 и втором 11 устройствах выборки-хранения и возврат первого 8 и второго 9 интеграторов в исходное состояние U₈ U₉ 0. В моменты запоминания выходные сигналы первого 8 и второго 9 интеграторов равны соответственно:





где k₂, k₃ коэффициенты передачи первого 2 и второго 3 измерительных трансформаторов тока:

k₆, k₇ коэффициенты передачи первого 6 и второго 7 модуляторов;

k₈, k₉ коэффициенты передачи первого 8 и второго 9 интеграторов.

Хранящиеся в течение полупериода в первом 10 и втором 11 устройствах выборки-хранения сигналы U₈ и U₉ поступают на входы алгебраических сумматоров 12 и 13, которые вычисляют разность и сумму, равные при k₂ k₃, k₆ k₇, k₈ k₉ соответственно:





где k_a, k_p коэффициенты передачи устройства соответственно для активной и реактивной составляющих.

Таким образом, использование операций измерения тока второй фазы, модуляции тока этой фазы прямоугольными импульсами, фильтрации промодулированных сигналов и формирования суммы и разности дух сигналов, которые пропорциональны средним значениям промодулированных токов, позволяет повысить точность и упростить техническую реализацию способа.

Использование предлагаемого способа измерения активной и реактивной составляющих тока трехфазной симметричной сети в различных системах контроля и управления электротехническими устройствами и оборудованием позволит повысить их технические характеристики.