Фильтр напряжения обратной последовательности

 

Изобретение может быть использовано в составе устройств измерения, защиты и сигнализации трехфазных систем переменного тока. Технический результат заключается в повышении быстродействия и точности измерения сигнала напряжения обратной последовательности в нестационарных режимах работы. Для этого фильтр напряжения обратной последовательности, содержащий сумматор и три пропорциональных блока, дополнительно содержит первый и второй блоки дифференцирования, причем клемма сигнала напряжения фазы А подключена к первому входу сумматора, клемма сигнала напряжения фазы В связана через инвертирующий вход первого блока дифференцирования со вторым входом сумматора, клемма сигнала напряжения фазы С связана через неинвертирующий вход второго блока дифференцирования с четвертым входом сумматора, а через инвертирующий вход второго пропорционального блока - с пятым входом сумматора, выход которого связан с входом третьего пропорционального блока таким образом, что выход третьего пропорционального блока является выходом фильтра. Все элементы предлагаемого устройства могут быть реализованы на безынерционных элементах, что гарантирует его высокое быстродействие при всех возможных режимах работы. Выделение сигнала напряжения обратной последовательности без преобразования фазы первичного сигнала, в свою очередь, существенно повышает точность работы фильтра. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а более точно - к устройствам, предназначенным для выделения составляющих обратной последовательности напряжения, и может быть использовано в составе устройств измерения, защиты и сигнализации трехфазных систем переменного тока.

Известен фильтр обратной последовательности напряжения (тока) трехфазной сети (см. авт. свид. СССР N 1247785 по кл. МПК⁶ G 01 R 29/16), содержащий два масштабирующих вычислителя, первый из которых подключен к первому и второму входам фильтра, а второй - к первому и третьему входам, сумматор, подключенный к выходу первого масштабирующего вычитателя непосредственно, а к выходу второго - через фазосдвигающий блок, причем выход сумматора соединен с выходом фильтра, входы третьего масштабирующего вычислители подключены к третьему и второму входам фильтра, а выход - к сумматору. Такое устройство позволяет обеспечить высокую точность работы и простоту настройки фильтра в стационарных режимах контролируемой сети.

Данное устройство, за исключением сумматора, реализовано на инерционных элементах, в связи с чем оно не может быть использовано при нестационарных режимах для анализа мгновенных значений контролируемого сигнала, поскольку работает с интегральными параметрами и не обладает достаточным быстродействием. Кроме того, необходимость промежуточного преобразования первичного сигнала по фазе, в свою очередь, снижает точность работы устройства.

Известен измерительный преобразователь симметричных составляющих электрических величин (см. авт. свид. СССР N 1432425 по кл. МПК⁶ G 01 R 29/16), наиболее близкий к заявляемому техническому решению и принятый в качестве прототипа, содержащий первый фазоповоротный элемент и сумматор, выход которого является выходом измерительного преобразователя, второй и третий фазоповоротные элементы и четыре масштабирующих (или иначе - пропорциональных) блока, причем вход каждого фазоповоротного элемента подсоединен соответственно к клемме фазной входной электрической величины, выходы первого фазоповоротного элемента непосредственно, а второго и третьего через первый и второй масштабирующие (пропорциональные) блоки подключены к входам сумматора, входы второго и третьего фазоповоротных элементов объединены с входами соответственно третьего и четвертого масштабирующих (пропорциональных) блоков, выходы которых подключены к четвертому и пятому входам сумматора.

Данное устройство обладает высокой точностью работы при отключении чистоты контролируемого сигнала, однако его быстродействие ограничено наличием инерционных элементов. Кроме того, в устройстве прототипа первичный сигнал преобразуется не только по величине, как это имеет место и в предлагаемом устройстве, но и по фазе, что при работе в нестационарных режимах может привести к дополнительной погрешности измерения.

Предлагаемое изобретение позволяет получить новый технический результат, заключающийся в повышении быстродействия и точности измерения сигнала напряжения обратной последовательности в нестационарных режимах работы.

Для реализации указанного технического результата фильтр напряжения обратной последовательности, содержащий сумматор и три пропорциональных блока, дополнительно содержит первый и второй блоки дифференцирования, причем клемма сигнала напряжения фазы A подключена к первому входу сумматора, клемма сигнала напряжения фазы B связана через инвертирующий вход первого блока дифференцирования со вторым входом сумматора, а через инвертирующий вход первого пропорционального блока - с третьим входом сумматора, клемма сигнала напряжения фазы C связана через неинвертирующий вход второго блока дифференцирования с четвертым входом сумматора, а через инвертирующий вход второго пропорционального блока - с пятым входом сумматора, выход которого связан с входом третьего пропорционального блока таким образом, что выход третьего пропорционального блока является выходом фильтра. Все элементы предлагаемого устройства могут быть реализованы на безынерционных элементах, что гарантирует его высокое быстродействие при всех возможных режимах работы. Выделение сигнала напряжения обратной последовательности без преобразования фазы первичного сигнала, в свою очередь, существенно повышает точность работы фильтра.

В описании предлагаемого устройства масштабирующие блоки именуются пропорциональными.

На чертеже приведена структурная схема фильтра напряжения обратной последовательности.

Фильтр содержит первый 1, второй 2 и третий 3 пропорциональные блоки, первый 4 и второй 5 блоки дифференцирования и сумматор 6. Первый вход сумматора 6 подключен к зажимам фазы A контролируемого сигнала, второй вход сумматора через первый блок дифференцирования 4 связан с зажимом фазы B, третий вход сумматора через первый пропорциональный блок 1 также связан с зажимом фазы B, четвертый вход сумматора через второй блок дифференцирования 5 связан с зажимом фазы C, пятый вход сумматора через второй пропорциональный блок 2 также связан с зажимом фазы C. Выход сумматора 6 соединен с входом третьего пропорционального блока 3, выход которого является выходом устройства в целом.

Блоки 1-5 могут быть реализованы при помощи операционных усилителей. Коэффициент усиления пропорциональных блоков 1-3 определяется отношением сопротивлений на инвертирующем входе усилителя и в цепи обратной связи. Дифференцирующие блоки 4, 5 на входе содержат конденсатор, а в цепи обратной связи - резистор. При этом в блоке 4 используется инвертирующий вход, а в блоке 5 - неинвертирующий.

Действие устройства основано на использовании метода симметричных составляющих. Пусть имеется система фаз A, B и C, с зажимов которой снимаются сигналы напряжения фаз u_a, u_b, u_c, значения которых можно определить по выражениям где U_a, U_b, U_c - амплитудные значения сигналов напряжения фаз A, B, C; ω - угловая частота сигнала, ω = 2πf; f - частота сигнала; ϕ₁ - угол, на который сигнал u_b опережает сигнал u_a; ϕ₂ - угол, на который сигнал u_c опережает сигнал u_a.

В соответствии с указанным методом для составляющей напряжения обратной последовательности фазы A u_a2 можно записать:
где a - оператор трехфазной системы;

e - число e = 2,71828... .

В выражениях (3) и (4) вторые слагаемые можно выразить через производные сигналов напряжения u_b' и u_c' по формулам


После подстановки формул (5), (6) выражения (3), (4) имеют вид


где K₁ = 0,5;
; при частоте напряжения f = 50 Гц ω = 314,16 с^-1, K₂ = 2,76 · 10^-3 с.

Подставив формулы (7), (8) в выражение (2), окончательно получим
u_a2 = K₃(u_a - K₁u_b - K₁u_c -K₂u_b' + K₂u_c'), (9)
где K₃ = 1/3.

Из выражения (9) следует, что для выделения сигнала напряжения обратной последовательности одной фазы (например, фазы A) необходимо подать на сумматор сигнал напряжения этой фазы, инвертированные масштабированные сигналы напряжения двух остальных фаз (коэффициент масштабирования K₁ = 0,5), инвертированный масштабированный сигнал производной напряжения фазы B и масштабированный сигнал производной напряжения фазы C (при частоте напряжения 50 Гц коэффициент масштабирования K₂ = 2,76 · 10^-3 с). Чтобы теперь выделить сигнал напряжения обратной последовательности, необходимо суммарный сигнал, сформированный на выходе сумматора, умножить на коэффициент масштабирования K₃ = 1/3.

Устройство работает следующим образом.

Контролируемый сигнал снимается с зажимов фаз A, B и C. Сигнал u_a с зажима фазы A поступает непосредственно на первый вход сумматора 6. Сигнал u_b с зажима фазы B разветвляется на вход первого блока дифференцирования 4 и на вход первого пропорционального блока 1. В первом блоке дифференцирования 4 сигнал u_b инвертируется, дифференцируется и умножается на масштабирующий коэффициент K₂. При этом на выходе блока 4 формируется сигнал - K₂u_b, который поступает на второй вход сумматора 6.

В пропорциональном блоке 1 сигнал напряжения фазы B u_b инвертируется и масштабируется. Результирующий сигнал - K₁u_b с выхода блока 1 поступает на третий вход сумматора 6.

Сигнал u_c с зажима фазы C разветвляется на вход второго блока дифференцирования 5 и на вход второго пропорционального блока 2. Во втором блоке дифференцирования 5 сигнал u_c дифференцируется и умножается на масштабирующий коэффициент K₂. При этом на выходе блока 5 формируется сигнал K₂u_c, который поступает на четвертый вход сумматора 6.

В пропорциональном блоке 2 сигнал напряжения фазы B u_c инвертируется и масштабируется. Результирующий сигнал - K₁u_c с выхода блока 2 поступает на пятый вход сумматора 6.

После суммирования всех пяти входных сигналов на выходе сумматора 6 формируется сигнал, равный утроенному значению сигнала обратной последовательности фазы A, т.е. 3 u_a2, который поступает на вход третьего пропорционального блока 3, где умножается на коэффициент K₃. Таким образом, на выходе блока 3 формируется сигнал напряжения обратной последовательности.

Предлагаемое устройство за счет введения в него блоков дифференцирования сигнала при новой взаимосвязи между блоками устройства, рассмотренной выше, ввиду отсутствия в нем инерционных элементов позволяет повысить быстродействие, а ввиду отсутствия фазоповоротных элементов - точность измерения сигнала напряжения обратной последовательности в нестационарных режимах работы.

Формула изобретения

Фильтр напряжения обратной последовательности, содержащий сумматор и три пропорциональных блока, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй блоки дифференцирования, причем клемма сигнала напряжения фазы A подключена к первому входу сумматора, клемма сигнала напряжения фазы B связана через инвертирующий вход первого блока дифференцирования со вторым входом сумматора, а через инвертирующий вход первого пропорционального блока - с третьим входом сумматора, клемма сигнала напряжения фазы C связана через неинвертирующий вход второго блока дифференцирования с четвертым входом сумматора, а через инвертирующий вход второго пропорционального блока - с пятым входом сумматора, выход которого связан с входом третьего пропорционального блока таким образом, что выход третьего пропорционального блока является выходом устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1