Устройство измерения сопротивления изоляции с ускоренным зарядом емкости сети
INSULATION RESISTANCE MEASURING DEVICE WITH ACCELERATED CHARGE OF NETWORK CAPACITANCE

Изобретение относится к электрическим измерениям, а именно к измерениям сопротивления изоляции электрических сетей, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от «земли». Контролируемыми сетями могут быть сети постоянного тока, переменного тока и двойного рода тока.
1
f
1
f
Известно устройство для измерения сопротивления изоляции [Иванов Е.А., Кузнецов С.Е. Методы контроля изоляции судовых электроэнергетических систем. Учебное пособие. - СПб.: «Элмор», 1999. с. 49, 50]. Это устройство предназначено для измерения сопротивления изоляции в сетях переменного тока. Принцип действия этого устройства основан на использовании метода наложения постоянного измерительного напряжения. Устройство содержит индуктивный или емкостный фильтр R, C, источник измерительного напряжения Е, миллиамперметр А. Фильтр R, C необходим в связи с тем, что в точке подключения к контролируемой сети действует переменная составляющая напряжения, а для проведения измерений необходимо устранить влияние переменной составляющей напряжения на измерительные цепи.
1
1
1
Недостатком данного устройства является большое время измерения в случае, если емкости фаз сети относительно земли большие. Длительность переходных процессов, возникающих при накладывании постоянного измерительного напряжения, прямопропорциональна сопротивлению R и емкости фаз сети относительно земли. Если для уменьшения времени измерения уменьшить сопротивление R для ускорения переходного процесса, то за счет того, что к нему приложено большое переменное напряжение, возрастет рассеиваемая на нем мощность. При этом снижается надежность. Кроме этого, если снижать сопротивление R, то будет возрастать влияние переменной составляющей напряжения на измерительные цепи, то есть возрастет переменная составляющая тока в измерительной цепи, при этом будет возрастать погрешность.
ш
1
2
3
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство измерения сопротивления изоляции, приведенное в [Соломенцев К.Ю. Расчет параметров измерительного преобразователя сопротивления изоляции электрических цепей на основе метода D-разбиений / К.Ю. Соломенцев // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. - 2008. - N1. - с. 41-43., рис. 1.]. Устройство содержит делитель, фильтр, сравнивающее устройство, которое по-существу является сумматором, у которого первый вход является инвертирующим, второй вход неинвертирующим, регулятор, который является П-регулятором, преобразователь напряжение-ток, устройство подключения (блок подключения), шунт R (блок измерения тока), вход делителя через резисторы R, R, R подключен к контролируемой сети, выход делителя подключен к фильтру, выход которого подключен к первому входу сумматора, на второй вход сумматора подается задающее напряжение, выход сумматора соединен с входом П-регулятора, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя напряжение-ток, один выход которого подключен к земле через блок измерения тока, другой выход подключен к контролируемой сети через блок подключения.
В прототипе измерительное напряжение, прикладываемое к контролируемой сети, создается с помощью преобразователя напряжение - ток, это сделано для того, чтобы подавить пульсации тока с частотой сети в измерительной цепи. Для того, чтобы измерительное напряжение было равно заданному значению, построена система автоматического регулирования (САР), в которую входят делитель, фильтр, сумматор, П-регулятор, преобразователь напряжение-ток. В эту САР входят как минимум три инерционных звена, одно в контролируемой сети и два в фильтре, так как используется фильтр второго порядка. Как известно из теории автоматического управления, при трех инерционных звеньях САР может быть неустойчивой. Поэтому коэффициент передачи П-регулятора выбран очень малым, в прототипе К=5. Как следствие - низкая скорость заряда емкости сети, что приводит к низкому быстродействию всего устройства.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия устройства.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в том, что становится возможным использование большого коэффициента передачи П-регулятора с сохранением устойчивости САР, в результате чего повышается точность и скорость регулирования.
Поставленная задача достигается устройством измерения сопротивления изоляции, содержащим делитель, первый сумматор, у которого первый вход является инвертирующим, второй вход неинвертирующим, П-регулятор, преобразователь напряжение-ток, блок подключения, блок измерения тока, входы делителя подключены к контролируемой сети, на второй вход первого сумматора подается задающее напряжение, выход первого сумматора соединен с входом П-регулятора, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя напряжение-ток, один выход которого подключен к земле через блок измерения тока, другой выход подключен к контролируемой сети через блок подключения, отличающимся тем, что введены дифференциальный усилитель и компенсатор помехи, который состоит из формирователя компенсирующего сигнала и второго сумматора, у которого первый вход является неинвертирующим, а второй инвертирующим, причем входы дифференциального усилителя подключены к линиям контролируемой сети, выход дифференциального усилителя подключен к синхронизирующему входу формирователя компенсирующего сигнала, выход делителя подключен к первому входу второго сумматора, ко второму входу которого подключен выход формирователя компенсирующего сигнала, выход второго сумматора подключен к контролирующему входу формирователя компенсационного сигнала и к первому входу первого сумматора.
На фиг. 1 приведена схема устройства 1, подключенного к контролируемой сети 2. На фиг. 2 приведены графики, поясняющие ускоренный заряд емкости сети. На фиг. 3 приведен один из возможных вариантов реализации компенсатора помех.
Устройство 1 содержит делитель 3, дифференциальный усилитель 4, компенсатор помехи 5, который состоит из формирователя компенсирующего сигнала 6 и второго сумматора 7, у которого первый вход является неинтвертирующим, а второй инвертирующим, первый сумматор 8, у которого первый вход является инвертирующим, второй вход неинвертирующим, П-регулятор 9, преобразователь напряжение-ток 10, блок подключения 11, блок измерения тока 12. Контролируемая сеть 2 содержит источники напряжения 13, 14, 15 сопротивления нагрузки 16, 17, 18, сопротивления изоляции каждой фазы 19, 20, 21, емкости каждой линии 22, 23, 24. Входы делителя 3 подключены к контролируемой сети 2, выход делителя 3 подключен к первому входу второго сумматора 7, ко второму входу которого подключен выход формирователя компенсирующего сигнала 6. Входы дифференциального усилителя 4 подключены к двум линиям контролируемой сети 2, выход дифференциального усилителя 4 подключен к синхронизирующему входу формирователя компенсирующего сигнала 6. Выход второго сумматора 7 подключен к контролирующему входу формирователя компенсационного сигнала 6 и к первому входу первого сумматора 8, на второй вход которого подается задающее напряжение, выход первого сумматора 8 соединен с входом П-регулятора 9, выход которого подключен к управляющему входу преобразователя напряжение-ток 10, один выход которого подключен к земле через блок измерения тока 12, другой выход подключен к контролируемой сети 2 через блок подключения 11.
ДЕЛ
З
Устройство 1 работает следующим образом. На второй вход первого сумматора 8 поступает задающее напряжение, пропорциональное требуемому значению измерительного напряжения, которое создается между контролируемой сетью 2 и землей. Коэффициент пропорциональности связан с коэффициентом передачи делителя 3. Например, если коэффициент передачи делителя К=0,04, а значение измерительного напряжения 50 В, то задающее напряжение U=50∙0,04=2 В.
На первый вход первого сумматора 8 поступает сигнал обратной связи. На выходе первого сумматора 8 образуется сигнал рассогласования, который поступает на вход П-регулятора 9.
П-регулятор 9 усиливает этот сигнал и подает на управляющий вход преобразователя напряжение-ток 10. В результате возникает ток, который через блок подключения 11 поступает на контролируемую сеть 2. Блок подключения 11 может быть реализован, например, как в прототипе, в виде моста Ларионова. Под воздействием тока заряжаются емкости сети 22, 23, 24, все потенциалы сети изменяются на величину измерительного напряжения, например, на 50 В. Разности потенциалов между линиями контролируемой сети 2 остаются неизменными. Разности потенциалов между линиями контролируемой сети 2 определяются напряжениями источников сетевого напряжения 13, 14, 15, которые нагружены сопротивлениями нагрузки 16, 17, 18.
Делитель 3 выполняет усреднение потенциалов линий контролируемой сети 2 и уменьшение среднего напряжения до значений, приемлемых для обработки с помощью низковольтных микросхем, например, операционных усилителей. Делитель 3 может быть выполнен, например, также как в прототипе. В результате на выходе делителя 3 формируется сигнал, пропорциональный напряжению контролируемой сети 2 относительно "земли". Этот сигнал содержит помеху в виде периодического сигнала, состоящего из набора гармоник с частотой сети, например, 50 Гц, 100 Гц, 150 Гц и т.д. Полезная составляющая этого сигнала представляет собой постоянное значение (в установившемся режиме) или медленно меняющуюся составляющую (во время переходного процесса). В прототипе данный сигнал пропускали через фильтр низких частот второго порядка, с помощью которого устранялись гармоники, оставался полезный сигнал. В предлагаемом изобретении гармоники устраняются с помощью компенсатора помех 5. Он содержит формирователь компенсирующего сигнала 6 и второй сумматор 7. Формирователь компенсирующего сигнала 6 формирует сигнал, идентичный помехе, присутствующей на выходе делителя 3. Так как второй вход второго сумматора 7 инвертирующий, сформированный сигнал вычитается из сигнала, присутствующего на первом входе второго сумматора 7. В результате на выходе второго сумматора 7 действует только полезный сигнал, который назовем "сигнал обратной связи".
С выхода второго сумматора 7 сигнал обратной связи поступает на первый инвертирующий вход первого сумматора 8. В идеальном случае сигнал обратной связи равен задающему напряжению, при этом к контролируемой сети 2 приложено измерительное напряжение, равное заданному значению. При возникновении отклонения П-регулятор 9 стремится уменьшить это отклонение.
Формирователь компенсирующего сигнала 6 работает следующим образом. С помощью дифференциального усилителя 4 формируется синхронизирующий сигнал с частотой сети. Если контролируемая сеть 2 является сетью переменного тока, то между любыми двумя линиями (фазами) сети действует переменное напряжение. В результате на выходе дифференциального усилителя 4 действует переменное напряжение с частотой сети, например, 50 Гц. Если контролируемая сеть 2 является сетью постоянного тока, то между линиями (полюсами) сети действует некоторая пульсация напряжения, например, 100 Гц. За счет этой пульсации создается сигнал, который подается на синхронизирующий вход формирователя компенсирующего сигнала 6. На контролирующий вход формирователя компенсирующего сигнала 6 подается сигнал с выхода второго сумматора 7. В идеальном случае этот сигнал не содержит периодической помехи, но в случае ее появления формирователь компенсирующего сигнала 6 производит коррекцию гармоник компенсирующего сигнала таким образом, чтобы минимизировать или полностью подавить периодическую помеху на выходе второго сумматора 7.
Существует несколько вариантов технических решений, позволяющих это сделать. Один из возможных вариантов - запомнить один период сигнала, действующего на выходе делителя, с помощью АЦП и оперативной памяти. Для выделения времени, равного одному периоду, необходим сигнал синхронизации, который формируется с помощью дифференциального усилителя.
Второй вариант - использовать межфазное напряжение для формирования компенсирующего сигнала. То есть подвергать сигнал, действующий на выходе дифференциального усилителя, различным преобразованиями (создать для него блок с регулируемой АЧХ) до достижения компенсации.
Еще один вариант - анализировать каждую гармонику (50 Гц, 100 Гц, 150 Гц…) на выходе второго сумматора 7 и формировать компенсирующий сигнал для каждой гармоники. При этом для каждой гармоники можно реализовать известный метод оптимизации, например, метод покоординатного спуска [1].
Физическая реализация компенсатора помех может иметь различные варианты. Например, использовать микроконтроллер со встроенным АЦП, а также ЦАП и операционный усилитель, фиг. 3.
1
2
1
2
Процесс измерения состоит из измерительных циклов, каждый из которых состоит из двух полуциклов. В двух полуциклах используются разные измерительные напряжения, например, +50 В и -50 В. В конце каждого полуцикла измеряются установившиеся значения токов I и I с помощью блока измерения тока 12, а также установившиеся значения напряжения U и U. Напряжения можно измерять, например, измеряя сигнал на выходе второго сумматора 7. Вычисления сопротивления изоляции осуществляются по формуле:
Устройство измеряет эквивалентное сопротивление изоляции, которое обусловлено сопротивлениями 19, 20, 21 изоляции линий сети.
В предлагаемом устройстве отсутствует фильтр низких частот, который заменен на компенсатор помехи 5. По сравнению с фильтром низких частот, компенсатор помехи 5 не вносит задержку в распространение полезного сигнала. Наличие фильтра низких частот не позволяло использовать большой коэффициент передачи П-регулятора 9, использовалось значение К=5. При этом, когда возникало небольшое рассогласование, формировался небольшой ток с помощью преобразователя напряжение-ток 10, из-за чего заряд емкостей сети 22, 23, 24 происходил медленно.
При использовании компенсатора помехи 5 стало возможным значительное увеличение коэффициента передачи П-регулятора 9. Теоретически САР будет устойчивой при любом коэффициенте передачи, практически использовалось значение К=50. Теперь, когда возникает рассогласование, формируется большой ток с помощью преобразователя напряжение-ток 10, заряд емкостей сети 22, 23, 24 происходит значительно быстрее, при К=50 в 10 раз.
1
1
В большинстве известных устройств измерения сопротивления изоляции источник измерительного напряжения подключается к контролируемому объекту (к сети) через токоограничивающий резистор. При наличии емкости сети относительно земли во время переходного процесса ток изменяется по экспоненте. Если в самом начале ток равен, например, 10 мА, то затем он уменьшается и асимптотически приближается к установившемуся значению. В авторском свидетельстве [2] и в патенте [3] предложено сначала осуществлять заряд емкости с помощью источника тока, то есть практически по линейному закону, до заданного значения напряжения. Затем, в момент t, подключается источник напряжения E, после чего переходный процесс сразу заканчивается, фиг.2. В предлагаемом устройстве такой заряд емкости достаточно просто реализуется. Для этого П-регулятор должен иметь некоторые предельные значения выходного сигнала. Например, если он реализован с помощью операционных усилителей, имеющих питающее напряжения +12 В и -12 В, то такими предельными значениями могут быть значения +10 В и -10 В. При этом, если преобразователь напряжение-ток имеет выходное значение тока 10 мА при управляющем напряжении 10 В, то в первые секунды переходного процесса емкости будут заряжаться током 10 мА. Это будет происходить, так как в начале переходного процесса напряжение на емкости значительно отличается от заданного значения. При этом на выходе первого сумматора будет большой сигнал, а на выходе П-регулятора тем более большой, но не больше предельного значения, то есть 10 В. Затем, когда приложенное значение напряжения приблизится к заданному значению, начнет работать САР, то есть значение приложенного напряжения будет стабилизироваться на заданном уровне, например, 50 В. Таким образом, за счет ограничений выходного сигнала П-регулятора реализуется описанный ускоренный принцип заряда емкости.
Таким образом, технический результат заключается в том, что становится возможным использование большого коэффициента передачи П-регулятора 9 с сохранением устойчивости САР, что в конечном итоге приводит к повышению быстродействия устройства измерения сопротивления изоляции.
Литература
1. Зайцев В.В. Численные методы для физиков. Нелинейные уравнения и оптимизация: учебное пособие / В.В.Зайцев, В.М.Трещев. - Самара: Изд-во «Самарский университет», 2006.
2. А.с. 1737363 СССР, МКИ G01R 27/18. Способ измерения сопротивления изоляции электрических сетей / Лачин В.И., Иванов Е.А., Малина А.К., Холодков В.П., Соломенцев К.Ю. и др. - Опубл. 1992, Бюл. № 20.
3. Пат. 2310873 РФ, МПК G01R 27/18. Способ измерения сопротивления изоляции электрических сетей / Лачин В.И., Кильдияров А.В., Соломенцев К.Ю., Иванов Е.А. - Опубл. 20.11.07, Бюл. № 32.