Устройство для контроля режимов работы оборудования

 

Изобретение относится к области контроля режимов работы оборудования путем измерения активной мощности и потребляемой электроэнергии. Целью изобретения является повышение точности работы устройства и расширение области его применения. Устройство содержит входные резисторы 1, 2 и 3, трансформатор 4 напряжения, трансформатор 9 тока, ключи 11 и 12, связывающий резистор 13, ограничительные резисторы 14 и 15, операционные усилители 8, 16 и 20,фильтр 17 низкой частоты, регистраторы 18 и 23, широтно-импульсный модулятор 10, интегрирующий конденсатор 19, одновибратор 21 и компаратор 22. В устройстве обеспечивается контроль потребляемой им активной мощности или регистрация потребляемой электроэнергии. 1 ил.

Устройство может быть использовано в системах для измерения активной мощности и энергии, потребляемой оборудованием, в шахтных системах телемеханики и в других телемеханических системах для передачи информации об активной мощности оборудования, в АСУ энергообъектами и предназначено для работы в симметричных трехфазных цепях для измерения активной мощности трехфазной цепи по активной мощности одной фазы.

Известно устройство для контроля режимов работы оборудования посредством измерения активной мощности однофазного переменного тока, состоящее из множительного блока на квадраторах, входных промежуточных трансформаторов напряжения и тока [1] Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная сложностью получения точной квадратичной зависимости на квадратирующих элементах.

Известно устройство контроля режимов работы оборудования посредством измерения мощности в симметричных трехфазных цепях с изолированной нейтралью при помощи подключения измерительного органа на линейное напряжение и фазный ток [2] Недостаток таких устройств состоит в их низкой точности и технологичности, что объясняется необходимостью устранения начального сдвига фаз в 30^о между фазным током и линейным напряжением. Применение для фазовой коррекции RC-элементов приводит к большой фазовой погрешности при изменении частоты сети и требует индивидуальной подгонки фазы каждого прибора, что является нетехнологичным.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для контроля режимов работы оборудования симметричной трехфазной цепи, которое содержит времяимпульсный блок перемножения, состоящий из первого, второго и третьего операционных усилителей, ключа на полевом транзисторе, подключенного непосредственно к фазе контролируемого оборудования, и широтно-импульсного модулятора, причем первый операционный усилитель подключен к фазам В и С трехфазной цепи через резисторы, чем достигается устранение начального фазового сдвига между напряжением и током, управление ключом обеспечивается широтно-импульсным модулятором, относительная разность длительности выходных импульсов напряжения которого пропорциональна току фазы А, выходной сигнал снимается с выхода третьего операционного усилителя через фильтр низкой частоты и поступает на регистратор [3] Недостатком этого устройства является низкая точность из-за влияния сопротивления открытого ключа на точность измерения активной мощности. Недостатком этого устройства является также узкая область применения, так как оно имеет только один выходной регистратор для подключения аналогового прибора или релейного органа и не имеет частотного выхода, что не позволяет непосредственно использовать данные устройства для контроля режима электропотребления оборудования путем измерения потребляемой электроэнергии. Узкая область применения данного устройства определяется также тем, что ключи и широтно-импульсный модулятор имеют непосредственную гальваническую связь с силовой цепью, что исключает возможность применения устройства в высоковольтных сетях (660, 1000 В и выше).

Целью изобретения является повышение точности работы устройства и расширение области его применения, так как при контроле режимов работы оборудования по активной мощности за счет повышения точности повышается надежность и достоверность производимого контроля, а также имеется возможность обеспечить контроль режима не только по активной мощности, но и по электропотреблению энергии, что позволяет сократить электропотребление и сберечь энергоресурсы.

Устройство для контроля режимов работы оборудования приведено на чертеже.

Устройство содержит входные резисторы 1, 2 и 3, включенные в звезду и подключаемые к трехфазной системе напряжения сети, трансформатор 4 напряжения с первичной обмотки 5, первой 6 и второй 7 вторичными обмотками, первый операционный усилитель 8, трансформатор 9 тока, широтно-импульсный модулятор 10, ключи 11 и 12, связывающий резистор 13, ограничительные резисторы 14 и 15, второй операционный усилитель 16, фильтр 17 низкой частоты, первый регистратор 18, интегрирующий конденсатор 19, третий операционный усилитель 20, одновибратор 21, компаратор 22 (с зоной нечувствительности), второй регистратор 23.

Устройство для контроля режимов работы оборудования работает следующим образом.

Ток i_а, пропорциональный напряжению фазы А, подводится через ключи 11 и 12 к инвертирующим входам усилителей 16 и 20. Поскольку первая вторичная обмотка 6 трансформатора 4 подключена к входу первого операционного усилителя 8, напряжения на ней U₆ также, как и на первичной обмотке 5 U_a и второй вторичной обмотке 7 U₇ равны нулю при условии, что усилитель 8 идеальный. Следовательно, ток i₅ в обмотке 5 равен i₅ (1) где R₁ сопротивление резистора 1. По закону полного тока для трансформатора 4 напряжения имеет место следующее равенство: i₅ ω₅ i₇ ω₇ + i₆ ω₆ Hl, (2) где ω₅ ω₆ ω₇ числа витков 5, 6, 7; Н напряженность магнитного поля в сердечнике трансформатора 4; l средняя длина магнитной силовой линии сердечника трансформатора 4.

U₆= ω₆S_Fl (3) где S_Fl сечение сердечника трансформатора 4.

Поскольку U₆ равно нулю, то скорость изменения индукции в сердечнике трансформатора 4 также равна нулю, следовательно, сердечник трансформатора 4 не перемагничивается и Н 0. Учитывая также, что усилитель 8 идеальный, полагают i₆ 0. С учетом этого из выражений (2) и (1) получают i₇= i₅ · U_A= KU_A (4) Следовательно, ток в обмотке 7, подводимый через ключи 11 и 12 к инвертирующим входам операционных усилителей 16 и 20, пропорционален напряжению фазы А U_A и не зависит, что существенно, от величины сопротивления в цепи обмотки 7, т.е. от величины сопротивлений открытых ключей, включенных в цепи этой обмотки.

К входу усилителя 20 в зависимости от полярности импульсного выходного напряжения широтно-импульсного модулятора 10 подключается ток обмотки 7 i₇ непосредственно, когда открыт транзистор 11, либо ток i₇ инвертируется усилителем 16, когда открыт транзистор 12. Интегрирующий усилитель 20 выделяет среднее за один цикл работы широтно-импульсного модулятора значение тока i₇. Учитывая, что длительность положительного импульса широтно-импульсного модулятора, когда открыт ключ 11, t₁, а длительность отрицательного импульса, когда открыт ключ 12, t₂, определяют среднее за цикл работы модулятора (время t₁ + t₂) значение тока на входе усилителя 20 L_19cp, полагая, что время t₁ + t₂ намного меньше периода изменения напряжения сети Т_с и за это время напряжение сети U_A, а следовательно, и ток i₇ остаются неизменными: i_{19 ср}= (5) где R₁₃, R₁₄ сопротивления резисторов 13, 14. Полагая R₁₃ R₁₄, получают
i_{19 ср} i₇ (6)
Широтно-импульсный модулятор 10 обеспечивает преобразование входного тока i_A согласно зависимости
K_ii_A (7)
Подставив выражения (4) и (7) в уравнение (6), получают
i_19cp K U_A ^. K_i i_A K ^.K_i U_A i_A K_c U_A i_A. (8)
Как видно из выражения (8) средний за время t₁ + t₂ ток на входе усилителя 20 равен произведению мгновенных значений напряжения и тока фазы А контролируемой сети, т.е. мгновенной мощности фазы А сети Р_А.

Если произвести интегрирование и усреднение i_19cp за период Т_с, получают при синусоидальных законах изменения тока i_A= I_Am sin(ω t -ϕ ) и напряжения U_A U_Am sin ω t следующее выражение для среднего за период Т_с тока на входе интегратора:
I_{19 ср}= K_cU_Amsinωt·I_Amsin(ωt-ϕ)dt K_cU_AI_Acosϕ K_cP_A
(9) где U_A и I_A эффективные значения напряжения и тока сети; Р_А активная мощность фазы А сети.

Одновибратор 21 вырабатывает импульс калиброванной вольтсекундной площади I₀U₀ const с полярностью напряжения U₀, противоположной току I_19cp, который через резистор 15 подключается к инвертирующему входу усилителя 20 и сбрасывает конденсатор 19 в начальное состояние. Частота переключения компаратора 22 с зоной нечувствительности, а следовательно, и одновибратора 21 устанавливается такой, чтобы среднее значение тока на входе усилителя 20 за период переключения T_к равнялось нулю, т.е. импульс калиброванной длительности тока должен уравновесить среднее значение тока I_19cp за период Т_к. Следовательно,
I_{19 ср}·T_k= (10) где R₁₅ сопротивление резистора 15.

Обозначив K_f и учитывая, что Т_к а также выражение (9), получают
K_c P_A K_f ^.f. (11)
Из выражения (11) следует
f P_A= K_p·P_A где К_р коэффициент пропорциональности.

Следовательно, частота f переключения компаратора 22 и одновибpатора 21 пропорциональна мощности фазы А.

Второй регистратор 23 осуществляет регистрацию частоты f, т.е. активной мощности, потребляемой оборудованием, контролируя тем самым режим работы оборудования по активной мощности. Если регистратор 23 осуществляет подсчет импульсов, поступающих с выхода компаратора 22 с частотой f, за определенное время, то в этом случае осуществляется контроль режима работы оборудования по электропотреблению активной электроэнергии за регистрируемый интервал времени. Таким образом, устройство осуществляет контроль режима работы оборудования, так как обеспечивает контроль потребляемой им активной мощности либо регистрацию потребляемой электроэнергии.

Устройство имеет более широкую область применения, так как благодаря наличию трансформатора напряжения может использоваться в высоковольтных сетях, в то время как использование прототипа, не имеющего гальванической изоляции цепей схемы от силовой цепи, в высоковольтных цепях недопустимо.

Устройство имеет более высокую точность контроля режима работы оборудования, так как трансформатор напряжения совместно с первым операционным усилителем исключает влияние изменения сопротивления ключей на точность работы схемы.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ, содержащее первый, второй и третий входные резисторы, подключенные к соответствующим фазам питания, первый операционный усилитель, первый ключ, выход которого подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя и через четвертый связывающий резистор к входу фильтра низкой частоты, который соединен с выходом второго операционного усилителя, выход фильтра низкой частоты соединен с первым регистратором, третий операционный усилитель, широтно-импульсный модулятор, пятый и шестой ограничительные резисторы, неинвертирующие входы первого, второго и третьего операционных усилителей подключены к общей шине питания, отличающееся тем, что в устройство введены трансформатор напряжения, трансформатор тока, компаратор, одновибратор, второй ключ и второй регистратор, первичная обмотка трансформатора напряжения подключена первым и вторым выводами соответственно к первому входному резистору и общей точке соединения второго и третьего входных резисторов, первая вторичная обмотка трансформатора напряжения подключена между общей шиной питания и инвертирующим входом первого операционного усилителя, выход которого через вторую вторичную обмотку подключен к входам первого и второго ключей, управляющие входы которых подключены к выходам широтно-импульсного модулятора, вход которого подключен к трансформатору тока, выход второго ключа через пятый ограничительный резистор подключен к входу фильтра низкой частоты и соединен с инвертирующим входом третьего операционного усилителя, параллельно которому включен интегрирующий конденсатор, выход третьего операционного усилителя подключен к входу компаратора, выход которого соединен с вторым регистратором и входом одновибратора, выход которого через шестой ограничительный резистор подключен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1