Способ измерения мощности искажения в однофазной цепи переменного тока

 

Использование: для реализации измерителей мощности искажений применительно к задаче контроля показателей качества электроэнергии (ПКЭ). Технический результат заключается в определении мощности искажения для несинусоидальных режимов однофазной цепи. Способ измерения мощности искажения в однофазной цепи переменного тока, заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения, перемножают эти значения, затем выделяют переменную составляющую этого произведения и интегрируют полученную переменную составляющую, начиная с момента перехода напряжения через ноль и в течение интервалов времени, равных 1/4 периода входных сигналов, и определяют полную реактивную мощность по формуле где Q_I, Q_II, Q_III, Q_IV - результаты интегрирования на первом, втором, третьем и четвертом интервалах времени по 1/4 периода питающего напряжения каждый, одновременно определяют мощность сдвига как площадь вольтамперной характеристики описанной мгновенными значениями тока и напряжения, и определяют мощность искажений по формуле Q_и=Q_р-Q_с, где Q_и - мощность искажения, Q_р - полная реактивная мощность, Q_с - мощность сдвига. 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в автоматике и энергетике, например, для реализации измерителей мощности искажений применительно к задаче контроля показателей качества электроэнергии (ПКЭ).

Вопросы измерения реактивной мощности в несинусоидальных режимах остаются до конца нерешенными и становятся все более актуальными. Рекомендации МЭК, выработанные уже давно и основанные на некотором понимании реактивной мощности и уровне техники того времени, устарели и требуют пересмотра. В то же время задача измерения мощности искажения ранее не была актуальной и интерес к ней появился относительно недавно в связи с ростом требований к качеству питающего напряжения.

Задача изобретения - определение мощности искажения для несинусоидальных режимов однофазной цепи.

Поставленная задача достигается тем, что для определения мощности искажений в однофазной цепи переменного тока, согласно изобретению измеряют мгновенные значения тока и напряжения, перемножают эти значения, затем выделяют переменную составляющую этого произведения и интегрируют ее с момента перехода напряжения через ноль в течение интервалов времени, равных 1/4 периода входных сигналов, и определяют полную реактивную мощность по формуле где Q_I, Q_II, Q_III, Q_IV - результаты интегрирования на первом, втором, третьем и четвертом интервалах времени по 1/4 периода питающего напряжения каждый, одновременно определяют мощность сдвига как площадь вольтамперной характеристики, описанной мгновенными значениями тока и напряжения, и определяют мощность искажений по формуле Q_и=Q_р-Q_c, (2) где Q_и - мощность искажения, Q_p - полная реактивная мощность, Q_c - мощность сдвига.

Известно, что реактивная мощность Q_p является общей мерой всего процесса энергообмена, причем реактивная мощность сдвига Q_c обусловлена взаимодействием одноименных гармоник тока и напряжения, а реактивная мощность искажений Q_и является мерой энергообмена от взаимодействия разноименных гармоник напряжения и тока [Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. - Новосибирск: изд. НГУ, 1990., стр.33].

Q_р=Q_С+Q_и (3) Следовательно, мощность искажений можно определить как разницу полной реактивной мощности и мощности сдвига.

В [Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. -М.: Энергия, 1978 г.] предлагается измерять реактивную мощность как площадь ВАХ, описанной мгновенными значениями тока и напряжения. Но полученное при этом значение есть величина обусловленная взаимодействием одноименных гармоник тока и напряжения, т.е. фактически мощность сдвига.

В [Баков Ю. В. Мощность переменного тока. - Иваново: Изд. Ивановского государственного энергетического университета, 1999 г.] показано, что интеграл переменной составляющей мгновенной мощности за 1/4 периода основной частоты является величиной, характеризующей энергообменные процессы в цепи переменного тока. При этом рассматриваются случаи наличия в сигналах тока и напряжения четных или нечетных гармоник. Начало интегрирования предлагается в момент времени wt=0. В [А.С. 918870, Кл. G 01 R 21/06, Г.И. Кацман и др. Способ измерения мощности и устройство для его реализации.] доказано, что это значение равно реактивной мощности, но только для синусоидальных режимов.

Для общего случая несинусоидального режима, когда в сигналах тока и напряжения присутствуют как четные, так и нечетные гармоники, и при условии, что интегрирование ведется с момента перехода напряжения через ноль справедливо выражение Q_I+Q_III=Q_II+Q_IV (4) При этом половина этого значения равна значению реактивной мощности Q_p (1).

Реактивную мощность сдвига Q_c как площадь F ВАХ (см. фиг.2) можно рассчитать, например, по формуле

где k_м - масштабный коэффициент; I_i, I_i+1, U_i, U_i+1 - мгновенные значения тока и напряжения в точках i, i+1; N - количество точек дискретизации. [И. Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике, -М.: Наука, 1948 г.].

Изобретение дает возможность измерять мощность искажения в однофазных сетях переменного тока, при несинусоидальных режимах, в широком диапазоне токов и напряжений, не зная гармонических входных сигналов.

На фиг. 1а, 1б, 1с показаны кривые тока - i(t); напряжения - u(t); мгновенной мощности - p(t); ее переменной составляющей - pnep(t); активной мощности - Р; периоды интегрирования для нахождения Q_p, а также Q_I, Q_II, Q_III, Q_IV для случаев синусоидального режима (1a), несинусоидальных режимов, когда в токе и напряжении присутствуют нечетные гармоники (1б) и четные и нечетные гармоники (1с). На фиг.2 показаны ВАХ для вышеуказанных примеров.

В таблице приведены вычисленные значения мощностей Q_p, Q_c, Q_и для этих случаев.

Способ измерения мощности искажения в однофазной цепи переменного тока реализован с помощью устройства (фиг. 3), которое включает в себя первый перемножитель 1 (Перемножитель 1), фильтр низких частот (ФНЧ) 2, первый сумматор 3 (Сумматор 1), ключ 4, первый интегратор 5 (Интегратор 1), второй сумматор 6 (Сумматор 2), блок управления (БУ) 7, первое устройство выборки-хранения 8 (УВХ 1), второе устройство выборки-хранения 9 (УВХ 2), третье устройство выборки-хранения 10 (УВХ 3), четвертое устройство выборки-хранения 11 (УВХ 4), инвертор 12, третий сумматор 13 (Сумматор 3), четвертый сумматор 14 (Сумматор 4), второй перемножитель 15 (Перемножитель 2), второй интегратор 16 (Интегратор 2).

Входные шины устройства подключены ко входам первого перемножителя 1, выход которого соединен со входом фильтра низких частот (ФНЧ) 2 и с вторым входом первого сумматора 3. Выход фильтра низких частот (ФНЧ) 2 подключен к первому входу первого сумматора 3. Выход первого сумматора 3 подключен ко входу ключа 4, выход которого соединен к входу первого интегратора 5, выход которого связан с первым входом второго сумматора 6. Вход блока управления 7 подключен к одной из входных шин, а его выходы соединены с управляющими входами ключа 4 и первого 8 (УВХ 1), второго 9 (УВХ 2), третьего 10 (УВХ 3), четвертого 11 (УВХ 4) устройств выборки-хранения. Входы устройств выборки-хранения: первого 8 (УВХ 1) и второго 9 (УВХ 2) подключены к входным шинам, а выходы этих устройств - к входам третьего 10 (УВХ 3), четвертого 11 (УВХ 4) устройств выборки-хранения и к входам третьего 13 и четвертого 14 сумматоров. Выход третьего устройства выборки-хранения 10 (УВХ 3) подключен ко входу инвертора 12, выход которого соединен с входом третьего сумматора 13. Выход четвертого устройства выборки-хранения 11 (УВХ 4) подключен к входу четвертого сумматора 14. Выходы третьего 13 и четвертого 14 сумматоров связаны со входами второго перемножителя 15, выход которого соединен со входом второго интегратора 16. Выход второго интегратора 16 связан со входом второго сумматора 6.

В качестве первого 1 и второго 15 перемножителей могут быть выбраны микросхемы 525ПСЗ. Первый 3, второй 6, третий 13 и четвертый 14 сумматоры могут быть реализованы на операционных усилителях 140УД17А. Ключ 4 может быть реализован на микросхеме 590КН5. Первый 5 и второй 16 интеграторы могут быть реализованы на операционных усилителях 140УД17А. Блок управления 7 может быть реализован на микроконтроллере АТ80С2051. Первое 8, второе 9, третье 10 и четвертое 11 устройства выборки-хранения могут быть реализованы на микросхемах 1100СК2. Инвертор 12 может быть реализован на микросхеме 140УД17А.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на входные шины измеренных сигналов тока i(t) и напряжения u(t) (фиг. 1а, 1б, 1с) на выходе первого перемножителя 1 появляется сигнал, пропорциональный мгновенной мощности p(t) (фиг.1а, 1б, 1с), а на выходе ФНЧ 2 - сигнал, пропорциональный активной мощности Р (фиг.1а, 1б, 1с). В сумматоре 3 происходит выделение переменной составляющей мгновенной мощности pпер(t) (фиг.1а, 1б, 1с) путем вычитания из сигнала мгновенной мощности значения активной мощности. В первом интеграторе 5 происходит интегрирование переменной составляющей мгновенной мощности на интервале времени замыкания ключа 4. Ключ 4 управляется блоком управления и замыкается на время, равное четверти периода основной частоты, два раза за период, причем первое замыкание начинается с момента перехода напряжения через ноль, второе замыкание - через четверть периода после завершения первого замыкания. На выходе интегратора формируется сигнал, пропорциональный полной реактивной мощности Q_p. Блок управления формирует управляющие сигналы на блоки 4, 8, 9, 10, 11 и реализован в виде микропроцессора. Причем на входы блоков 8, 9 и 10, 11 поступают сигналы длительностью, равной значению периода основной частоты, поделенной на N, где N - количество точек дискретизации. На вход первого УВХ 8 поступает сигнал, пропорциональный входному напряжению, а на вход второго УВХ 9 - сигнал, пропорциональный входному току. В эти блоки записываются и хранятся текущие значения тока и напряжения, которые по следующему сигналу переписываются в блоки 10, 11 и становятся предыдущими значениями. На выходе сумматора 13 получается сигнал, равный разности текущего и предыдущего значений тока, а на выходе 14 - сумма текущего и предыдущего значений напряжения. В блоке 15 эти сигналы перемножаются и подаются на интегратор 16, на выходе которого получается сигнал, пропорциональный мощности сдвига Q_c, который поступает на сумматор 6. На выходе сумматора 6 получается значение, пропорциональное мощности искажений
Q_и=Q_p-Q_c
Для примера, при входных сигналах, когда в токе и напряжении присутствует нечетная гармоника ( см.таблицу) -Q_c=331 ВА, Q_P=233 ВА, следовательно, Q_и=-92 ВА.

Изобретение дает возможность измерять мощность искажений в однофазных сетях переменного тока при несинусоидальных режимах, в широком диапазоне токов и напряжений. При этом степень искажений тока и напряжения не вносят погрешность в результат измерения. Это позволяет более полно определять показатели качества электроэнергии.

Формула изобретения

Способ измерения мощности искажения в однофазной цепи переменного тока, отличающийся тем, что измеряют мгновенные значения тока и напряжения, перемножают эти значения, затем выделяют переменную составляющую этого произведения и интегрируют полученную переменную составляющую, начиная с момента перехода напряжения через ноль и в течение интервалов времени, равных 1/4 периода входных сигналов, определяют полную реактивную мощность по формуле

где Q_I, Q_II, Q_III, Q_IV – результаты интегрирования на первом, втором, третьем и четвертом интервалах времени по 1/4 периода питающего напряжения каждый,

одновременно определяют мощность сдвига как площадь вольтамперной характеристики, описанной мгновенными значениями тока и напряжения, и определяют мощность искажений по формуле

Q_И=Q_P–Q_С,

где Q_И – мощность искажения;

Q_Р – полная реактивная мощность;

Q_С – мощность сдвига.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6