Прибор контроля времени самовозбуждения, готовности к приему нагрузки и амплитудной модуляции напряжения синхронных генераторов

Прибор контроля времени самовозбуждения, готовности к приему нагрузки и амплитудной модуляции напряжения относится к области измерительной техники и предназначен для измерения времени самовозбуждения генератора, времени готовности генератора к приему нагрузки, амплитудной модуляции напряжения, а также частоты и напряжения синхронного генератора.
К современным электрогенераторным установкам (электроагрегатам и электростанциям) как в военной, так и в гражданской технике в целом ряде областей применения предъявляются требования по контролируемому времени достижения номинальных параметров. Эти требования важны как для работы резервной электрогенераторной установки, если перерыв в электроснабжении потребителя недопустим или допустим в очень малый промежуток времени, так и для военной техники при жестких требованиях готовности генератора к включению нагрузки. Для выполнения этих требований в технических условиях на генераторы устанавливают время самовозбуждения, (время от пуска электроустановки до достижения минимально допустимого напряжения) и время готовности к приему нагрузки, т.е. достижения номинального значения напряжения с допустимым отклонением от этого значения в пределах указанной точности (отклонение установившегося значения напряжения генератора). Также к современным электрогенераторным установкам предъявляют высокие требования к качеству электроэнергии, в частности к стабильности напряжения на холостом ходу и под нагрузкой. Одним из параметров качества электроэнергии является амплитудная модуляция напряжения, требования к показателям которой включаются в стандарты и технические условия на генераторы и электрогенераторные установки и, следовательно, амплитудную модуляцию напряжения необходимо контролировать при приемо-сдаточных испытаниях и во время технического обслуживания электрогенераторных установок.
Также в современных электроустановках применяются системы защиты, которые контролируют напряжение в зоне регулирования и в случае, когда напряжение электроустановки с момента ее запуска не входит в зону регулирования в течение заданного времени считают эту ситуацию аварийной и отключают возбуждение генератора данной электроустановки, чтобы исключить включение нагрузки на неполное напряжение.
Таким образом, контроль параметров амплитудной модуляции напряжения генератора, времени самовозбуждения генератора и времени входа напряжения генератора в зону регулирования является важным и должен производиться, как при приемо-сдаточных испытаниях генераторов и электрогенераторных установок, так и при проведении технического обслуживания данных изделий. Проводить контроль этих параметров в условиях испытательных станций и в условиях мест технического обслуживания при помощи универсальных измерительных приборов неудобно, т.к. требуется осциллографирование напряжения с последующим расчетом данных параметров по полученным осциллограммам.
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, состоит в создании малогабаритного прибора с расширенными функциональными возможностями, позволяющего определять время самовозбуждения генератора, время входа напряжения генератора в зону регулирования, амплитудную модуляцию напряжения и, дополнительно, частоту переменного напряжения генератора и среднеквадратичное значение напряжения генератора без проведения дополнительного осциллографирования напряжения с последующим расчетом данных параметров по полученным осциллограммам.
Заявляемый прибор может быть использован при измерении вышеуказанных параметров для синхронных генераторов переменного напряжения с номинальным напряжением 230 В и 400 В и номинальной частотой 50 Гц и 400 Гц.
Технической задачей является создание прибора, отличающегося компактностью с расширенными функциональными возможностями, позволяющего измерять время самовозбуждения, время входа напряжения генератора в зону регулирования, амплитудную модуляцию напряжения, а также среднеквадратичное значение напряжения генератора и частоту напряжения генератора.
Техническая задача решается за счет того, что прибор контроля времени самовозбуждения, готовности к приему нагрузки и амплитудной модуляции напряжения синхронных генераторов включает размещенные в корпусе прибора блок питания, входные цепи в виде трансформатора понижающего, вторичная обмотка которого подключена к блоку делителя напряжения (БДН), включающего в себя четыре делителя напряжения с различными коэффициентами деления, каждый из которых связан с соответствующим входом мультиплексора (MUX), выход которого подключен к входу драйвера аналого-цифрового преобразователя (ДАЦП), построенного на операционных усилителях, подключенного через фильтр низких частот (ФНЧ) к аналоговому входу 14-битного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для преобразования аналогового сигнала в цифровой, оцифрованные (дискретные) данные через последовательный интерфейс передаются на микроконтроллер (МК), частота, с которой осуществляются дискретные выборки аналогового сигнала, задается с помощью управляющего сигнала, поступающего на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с выхода микроконтроллера (МК), на лицевой панели прибора расположены связанные с микроконтроллером (МК) переключатель режима работы прибора (ПРР), переключатель номинальных параметров генератора (ПНП) и блок индикации (БИ), на котором отображаются измеренные параметры в зависимости от выбранного режима работы прибора и номинальных параметров синхронного генератора.
Полезная модель иллюстрируется следующими графическими материалами:
на фиг. 1 показана принципиальная схема прибора;
на фиг. 2 представлена лицевая панель прибора;
на фиг. 3 представлен график модулированного напряжения, поясняющий режим работы при определении коэффициента амплитудной модуляции;
на фиг. 4 представлен график входного дискретного сигнала, поясняющий алгоритм работы при определении частоты;
на фиг. 5 представлен график кривых частоты и напряжения при запуске генератора.
На схеме (фиг. 1) обозначены: трансформатор понижающий 1, блок делителей напряжения 2, мультиплексор 3, драйвер аналого-цифрового преобразователя 4, фильтр низких частот 5, аналого-цифровой преобразователь 6, микроконтроллер 7, переключатель режима работы прибора 8, переключатель номинальных параметров генератора 9, блок индикаций 10, блок питания 11.
Как показано на фиг. 1 прибор контроля времени самовозбуждения, готовности к приему нагрузки и амплитудной модуляции напряжения синхронных генераторов включает размещенные в корпусе прибора блок питания 11, входные цепи в виде трансформатора понижающего 1, вторичная обмотка которого подключена к блоку делителя напряжения 2, включающего в себя четыре делителя напряжения с различными коэффициентами деления, каждый из которых связан с соответствующим входом мультиплексора 3, выход которого подключен к входу драйвера аналого-цифрового преобразователя 4, построенного на операционных усилителях, подключенного через фильтр низких частот 5 к аналоговому входу 14-ти битного аналого-цифрового преобразователя 6 для преобразования аналогового сигнала в цифровой, оцифрованные (дискретные) данные через последовательный интерфейс передаются на микроконтроллер 7, частота, с которой осуществляются дискретные выборки аналогового сигнала, задается с помощью управляющего сигнала, поступающего на управляющий вход аналого-цифрового преобразователя 6 с выхода микроконтроллера 7. На лицевой панели прибора расположены связанные с микроконтроллером 7 переключатель режима работы прибора 8, переключатель номинальных параметров генератора 9 и блок индикации 10. На блоке индикации 10 отображаются измеренные параметры в зависимости от выбранного режима работы прибора и номинальных параметров генератора синхронного.
Прибор контроля времени самовозбуждения, готовности к приему нагрузки и амплитудной модуляции напряжения синхронных генераторов работает следующим образом: прибор подключается к выходному напряжению синхронного генератора переменного напряжения. Выходное напряжение генератора поступает на вход понижающего трансформатора 1 (см. фиг. 1). Вторичное напряжение с понижающего трансформатора 1 поступает на блок резистивных делителей напряжения 2. Блок резистивных делителей напряжения 2 содержит в своем составе четыре делителя напряжения с различными коэффициентами деления. Выходное напряжение с каждого резистивного делителя напряжения поступает на соответствующий вход мультиплексора 3, задачей которого является подключение к своему выходу выходного напряжения с одного из четырех резистивных делителей. Выбор резистивного делителя, выходное напряжение с которого необходимо подключить на выход мультиплексора 3 зависит от режима работы прибора и номинальных параметров синхронного генератора (номинальные напряжение и частота), к которому подключен прибор и управляется посредством управляющих сигналов, поступающих с микроконтроллера 7 на управляющие входы мультиплексора 3. Выходное напряжение с мультиплексора 3 подается на вход драйвера аналого-цифрового преобразователя 4, построенного на операционных усилителях и служащего для согласования выходного импеданса входного каскада прибора с входным импедансом аналого-цифрового преобразователя 6. Выходное напряжение с драйвера АЦП поступает на вход фильтра низких частот 5. Пройдя через фильтр низких частот, напряжение поступает на аналоговый вход 14-битного АЦП 6. Частота дискретизации АЦП, т.е. частота, с которой осуществляются дискретные выборки аналогового сигнала, задается с помощью управляющего сигнала, поступающего на управляющий вход АЦП с выхода микроконтроллера 7. Оцифрованные (дискретные) данные через последовательный интерфейс передаются на микроконтроллер 7. Микроконтроллер 7 в зависимости от выбранного режима работы прибора и номинальных параметров напряжения синхронного генератора выполняет расчет следующих параметров:
1. амплитудную модуляцию напряжения генератора;
2. частоту напряжения генератора;
3. время самовозбуждения и время входа напряжения генератора в зону регулирования;
4. среднеквадратичное значение напряжения генератора.
Выбор режима работы прибора осуществляется с панели управления при помощи переключателя 8, который соединен с микроконтроллером 7. Доступны 4 режима работы:
1. AM - расчет амплитудной модуляции напряжения генератора;
2. F - расчет частоты напряжения генератора;
3. U - расчет среднеквадратичного напряжения генератора;
в
4. t - расчет времени самовозбуждения и времени входа напряжения генератора в зону регулирования.
При помощи переключателя 9 на панели управления прибором (см. фиг. 2) осуществляется выбор номинальных параметров (напряжение и частота) синхронного генератора, к которому подключен прибор. Доступны следующие номинальные параметры генератора:
1. 230 В/50 Гц;
2. 230 В/400 Гц;
3. 400 В/50 Гц;
4. 400 В/400 ГЦ.
Результат работы программного алгоритма микроконтроллера 7 (т.е. расчет какого-либо из параметров) отображается на блоке индикации 10.
Питание прибора осуществляется от встроенного блока питания 11, который подключается к сети переменного напряжения 220 В/50 Гц.
Для расчета амплитудной модуляции напряжения, подаваемого на вход прибора с выхода синхронного генератора переменного напряжения, в микроконтроллере 7 реализован следующий алгоритм:
Дискретные данные, поступающие с выхода АЦП на вход микроконтроллера через последовательный интерфейс передачи данных, накапливаются во внутреннем буфере микроконтроллера. Когда буфер заполняется полностью, его содержимое поступает в очередь для последующей обработки, буфер очищается и возобновляется процесс накопления данных, поступающих с АЦП. Микроконтроллер извлекает данные из очереди для обработки с целью расчета коэффициента амплитудной модуляции.
mod
max
min
max
min
Временной интервал t для расчета коэффициента амплитудной модуляции K с последующим отображением рассчитанных данных на цифровом индикаторе составляет 500 мс. В течении этого времени производится вычисление амплитудного значения напряжения, поступающего на вход прибора, для каждого периода и одновременный поиск наибольшего U и наименьшего U среди них (см. фиг. 2). По истечению периода t рассчитывается среднее значение между U и U по формуле:
, (1)
nom
где U - номинальное амплитудное значение напряжения на временном интервале t;
min
U - минимальное амплитудное значение напряжения на временном интервале t;
max
U - максимальное амплитудное значение напряжения на временном интервале t.
Эта величина принимается за номинальное амплитудное напряжение, подаваемое на вход прибора с выхода синхронного генератора переменного напряжения.
Результирующий расчет коэффициента амплитудной модуляции напряжения выполняется по следующей формуле:
, (2)
mоd
где K - коэффициент амплитудной модуляции;
max
U - максимальное амплитудное значение напряжения на временном интервале t;
min
U - минимальное амплитудное значение напряжения на временном интервале t;
nom
U - номинальное амплитудное значение напряжения на временном интервале.
mod
Величина K передается для отображения на блок индикации и обновляется каждые 500 мс.
Для расчета частоты напряжения, поступающего на вход прибора с выхода синхронного генератора переменного напряжения, в микроконтроллере реализован следующий алгоритм.
Дискретные данные, поступающие с выхода АЦП на вход микроконтроллера через последовательный интерфейс передачи данных, накапливаются во внутреннем буфере микроконтроллера. Когда буфер заполняется полностью, его содержимое поступает в очередь для последующей обработки, буфер очищается и возобновляется процесс накопления данных, поступающих с АЦП. Микроконтроллер извлекает данные из очереди для обработки с целью расчета частоты входного напряжения.
1
n
Для определения частоты переменного напряжения, поступающего на вход прибора с выхода синхронного генератора переменного напряжения, оперируя потоком дискретных данных с выхода АЦП необходимо в этом потоке определить дискретные отсчеты АЦП, соответствующие началу периода а, и окончанию периода  а для переменного напряжения (см. фиг.4) и рассчитать период сигнала по формуле:
adc
T=t·n, (3)
где Т - период сигнала;
1
n
n - количество дискретных отсчетов между началом периода a и окончанием периода а;
adc
t - временной интервал в секундах между соседними дискретными отсчетами, поступающими с выхода АЦП.
adc
adc
Зная частоту дискретизации АЦП ƒ, которая является постоянной величиной и составляет 50 кГц, рассчитывается временной интервал t:
(4)
adc
где t - временной интервал между соседними отсчетами АЦП;
adc
ƒ - частота дискретизации АЦП.
Расчет частоты сигнала выполняется по формуле:
(5)
где ƒ - значение частоты сигнала;
Т - период сигнала.
Рассчитанное значение частоты ƒ сохраняется в линейном массиве и выполняется аналогичный расчет для следующего периода входного сигнала.
По истечению временного интервала t, равного 500 мс, рассчитывается частота входного переменного напряжения как среднее из частот, накопленных в массиве. Эта величина передается на блок индикации прибора. Расчет частоты выполняется циклически, пока прибор работает в режиме измерения частоты входного напряжения.
Для расчета среднеквадратичного значения переменного напряжения, поступающего на вход прибора с выхода синхронного генератора переменного напряжения, в микроконтроллере реализован следующий алгоритм:
Дискретные данные, поступающие с выхода АЦП на вход микроконтроллера через последовательный интерфейс передачи данных, накапливаются во внутреннем буфере микроконтроллера. Когда буфер заполняется полностью, его содержимое поступает в очередь для последующей обработки, буфер очищается и возобновляется процесс накопления данных, поступающих с АЦП. Микроконтроллер извлекает данные из очереди для обработки с целью расчета среднеквадратичного значения входного напряжения.
Среднеквадратичное значение напряжения рассчитывается по следующей формуле:
(6)
где U - среднеквадратичное значение напряжения;
u(t) - мгновенное значение напряжения;
Т - период измерения.
1
n
Среднеквадратичное значение напряжения рассчитывается циклически на временном интервале t=500 мс для каждого периода в дискретном потоке данных, поступающих с АЦП. Для этого определяются индексы дискретных отсчетов в потоке данных, соответствующие началу периода - а и окончанию периода - а. Определив начало и окончание одного периода подсчитывается количество дискретных отсчетов n, входящих в этот период. После того, как определено начало и окончание периода и количество дискретных отсчетов, входящих в него, по формулам (4) и (3) рассчитывается период T в секундах. Затем выполняется расчет интеграла по формуле:
(7)
a
1
где  - индекс дискретного отсчета, принятого за начало периода;
а
n
- индекс дискретного отсчета, принятого за окончание периода;
t - временной интервал между соседними дискретными отсчетами АЦП;
u - мгновенное напряжение на входе прибора.
При расчете интеграла дискретные отсчеты с выхода АЦП пересчитываются в мгновенные напряжения на входе прибора с учетом коэффициентов передачи понижающего трансформатора 1 и блока резистивных делителей напряжения 2.
Рассчитав интеграл и период T, выполняется расчет среднеквадратичного значения напряжения для этого периода по формуле (6). Полученный результат сохраняется в линейном массиве, и вышеуказанный алгоритм повторяется для следующего периода во входном потоке данных, поступающих с АЦП.
По истечению временного интервала t=500 мс рассчитывается среднее значение среди значений, накопленных в линейном массиве. Это значение передается на блок индикации прибора.
Алгоритм расчета среднеквадратичного значения напряжения выполняется циклически до тех пор, пока прибор работает в режиме измерения среднеквадратичного значения напряжения.
Для расчета времени самовозбуждения синхронного генератора и времени входа напряжения генератора в зону регулирования в микроконтроллере реализован следующий алгоритм:
Дискретные данные, поступающие с выхода АЦП на вход микроконтроллера через последовательный интерфейс передачи данных, накапливаются во внутреннем буфере микроконтроллера. Когда буфер заполняется полностью, его содержимое поступает в очередь для последующей обработки, буфер очищается и возобновляется процесс накопления данных, поступающих с АЦП. Микроконтроллер извлекает данные из очереди для обработки с целью расчета времени возбуждения и времени входа напряжения генератора в зону регулирования.
в
0
1
Временем самовозбуждения генератора t (см. фиг. 5) является временной интервал от момента t, когда частота выходного напряжения генератора достигает 90% от номинальной и до момента t, когда выходное напряжение генератора достигает 90% от номинального.
H
0
2
Временем входа напряжения генератора в зону регулирования t (см. фиг. 6) является временной интервал от момента t, когда частота выходного напряжения генератора достигает 90% от номинальной и до момента t, когда выходное напряжение генератора стабилизируется на уровне номинального напряжения с допускаемым отклонением.
в
Для расчета времени самовозбуждения синхронного генератора t микроконтроллер выполняет расчет частоты входного переменного напряжения для каждого периода по входному потоку дискретных данных с АЦП. Алгоритм расчета частоты каждого периода аналогичен алгоритму, по которому рассчитывается частота, когда прибор работает в режиме измерения частоты. Рассчитав частоту ƒ соответствующего периода, микроконтроллер проверяет выполнение следующего условия:
nom
ƒ≥0,9ƒ, (8)
где ƒ - частота входного напряжения;
nom
в
ƒ - номинальная частота напряжения синхронного генератора. Если это условие выполняется, т.е. если частота периода больше или равна 90% от номинальной частоты выходного напряжения генератора, микроконтроллер переходит в состояние подсчета времени самовозбуждения t.
В этом состоянии микроконтроллер продолжает расчет частоты для каждого последующего периода в потоке данных с АЦП и расчет количества дискретных отсчетов n, входящих в этот период, а также начинает расчет среднеквадратичного значения напряжения U для каждого периода. Расчет среднеквадратичного значения напряжения U выполняется по алгоритму, аналогичному алгоритму, когда цифровой измеритель работает в режиме измерения среднеквадратичного значения напряжения. Количество дискретных отсчетов n с АЦП накапливается в переменной SUM:
SUM=SUM+n
в
Они будут использованы в дальнейшем при расчете результирующего времени возбуждения генератора t.
Рассчитав среднеквадратичное значение напряжения U для периода, микроконтроллер выполняет проверку его значения на соответствие условию:
nom
U≥0,9U, (9)
где U - среднеквадратичное значение напряжения одного периода;
nom
U - номинальное напряжение генератора.
в
0
в
Когда микроконтроллер определяет период, который удовлетворяет данному условию, т.е. среднеквадратичное значение напряжения этого периода больше или равно 90% номинального напряжения генератора, выполняется расчет времени возбуждения t. В этот момент времени в переменной SUM содержится общее количество дискретных отсчетов, поступивших с выхода АЦП от момента, когда была определена начальная точка отсчета времени возбуждения t (см. фиг. 5) и до момента, когда была определена конечная точка отсчета времени возбуждения (см. фиг. 5). Для расчета времени возбуждения t используется следующая формула:
в
adc
t=SUM·t, (10)
в
где t - время возбуждения генератора;
adc
t - временной интервал между соседними дискретными отсчетами АЦП. Рассчитывается по формуле (4).
в
Рассчитанное время t сохраняется во внутренней памяти микроконтроллера, после чего он переходит в состояние определения времени входа напряжения генератора в зону регулирования.
Для определения времени входа напряжения генератора в зону регулирования необходимо найти период, среднеквадратичное значение напряжения которого удовлетворяет следующему условию:
nom
U=U±1%, (11)
где U - среднеквадратичное значение напряжения периода;
nom
U - номинальное напряжение генератора.
При этом среднеквадратичные значения следующих за ним периодов в течение 1 секунды также должны удовлетворять этому условию. Для этого микроконтроллер:
1. Рассчитывает среднеквадратичное значение напряжения U следующего периода по входным данным с АЦП.
2. Определяет количество дискретных отсчетов АЦП n в этом периоде.
3. Накапливает общее количество отсчетов АЦП в переменной SUM;
4. Проверяется выполнение условия (11). Если условие выполняется, алгоритм работы микроконтроллера продолжается с пункта 5 с целью определения стабилизации выходного напряжения на уровне номинального значения. Если условие не выполняется, алгоритм работы повторяется с пункта 1.
5. Сбрасывается значение переменной SUMTmp:
SUMTmp=0
6. Сбрасывается значение переменной Time:
Time=0
7. Рассчитывается среднеквадратичное значение напряжения U следующего периода по входным данным с АЦП.
8. Определяется количество дискретных отсчетов и, входящих в этот период.
9. Накапливается общее количество дискретных отсчетов АЦП в переменной SUMTmp:
SUMTmp=SUMTmp+n
10. Рассчитывается период T по формуле (3).
11. В переменной Time подсчитывается общее время с момента обнаружения первого периода, удовлетворяющего условию (11):
Time=Time+Т
12. Проверяется выполнение условия (11). Если условие выполняется, то работа алгоритма продолжается с пункта 13. В противном случае, к переменной SUM добавляется количество дискретных отсчетов АЦП, накопленных в переменной SUMTmp и алгоритм работы продолжается с пункта 1.
13. Проверяется выполнение условия:
Time≥1c. (12)
Если условие не выполняется, алгоритм работы возобновляется с пункта 7.
0
2
Если условие (12) выполнено, напряжение генератора считается стабилизированным, а количество дискретных отсчетов, накопленных в переменной SUM, является общим количеством отсчетов АЦП от момента t до момента t (см. фиг. 4). Расчет времени входа напряжения генератора в зону регулирования выполняется по формуле:
H
adc
t=SUM·t, (13)
H
где t - время входа напряжения генератора в зону регулирования;
adc
t - временной интервал между соседними отсчетами АЦП (см. фиг. 4);
0
2
SUM - общее количество отсчетов АЦП от момента t до момента t (см. фиг. 4).
Такое исполнение позволяет создать малогабаритный прибор с расширенными функциональными возможностями, который позволяет определять время самовозбуждения генератора, время входа напряжения генератора в зону регулирования, амплитудную модуляцию напряжения и, дополнительно, частоту переменного напряжения генератора и среднеквадратичное значение напряжения генератора.