Цифровой измеритель мощности переменного тока

Цифровой измеритель мощности переменного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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.