УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ ПОМЕХАХ
DEVICE TO MEASURE FREQUENCY OF GRID VOLTAGE UNDER NON-SINUSOID NOISE

Устройство для измерения частоты сетевого напряжения при несинусоидальных помехах относится к измерительной технике и может быть использовано для определения частоты питающего напряжения в условиях значительных несинусоидальных помех.
Известен способ с определением частоты электрической сети при несинусоидальных помехах [1] с применением итерационной процедуры измерения частоты сети, состоящей из операции предварительного подавления в сигнале высших гармоник той частоты, которая была измерена ранее, и очередного измерения частоты.
Недостатком измерителя является последовательное подавление несинусоидальных помех, что ведет к увеличению времени измерения, необходимого для получения более точного результата.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является цифровой измеритель частоты [2], содержащий входное устройство, кварцевый генератор, формирующее устройство, делитель частоты, управляющее устройство, временной селектор, счетчик, дешифратор.
Недостатком измерителя является значительное время усреднения (счета), необходимое для получения требуемой точности измерений и низкая помехоустойчивость.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности измерения при несинусоидальных помехах и на уменьшение времени измерения.
Это достигается тем, что в устройство для измерения частоты, содержащее входное устройство, кварцевый генератор, формирующее устройство, делитель частоты, управляющее устройство, временной селектор, счетчик, дешифратор, при этом выход формирующего устройства соединен с одним входом временного селектора, второй вход которого соединен с выходом управляющего устройства, выходы которого также соединены с входами счетчика импульсов, делителя частоты, дешифратора, вход управляющего устройства соединен с выходом делителя частоты, вход которого, через формирующее устройство, соединен с выходом кварцевого генератора опорной частоты, выход временного селектора соединен со входом счетчика импульсов, выход которого соединен со входом дешифратора, согласно предлагаемому изобретению после входного устройства дополнительно введены два интегратора, две линии задержки и два сумматора, при этом, выход входного устройства соединен с входом интегратора, выход которого в свою очередь соединен с входом сумматора и входом линии задержки , выход линии задержки соединен со входом сумматора, выход сумматора соединен со входом интегратора, выход которого в свою очередь соединен с входом сумматора и входом линии задержки, выход линии задержки соединен с входом сумматора, выход линии задержки соединен со входом формирующего устройства.
Введение новых элементов и связей между ними обеспечивает решение поставленной задачи.
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.
Устройство (фиг.1) содержит:
1 - входное устройство;
2 - первый интегратор;
3 - первая линия задержки;
4 - первый сумматор;
5 - второй интегратор;
6 - вторая линию задержки;
7 - второй сумматор;
8 - первое формирующее устройство;
9 - кварцевый генератор опорной частоты;
10 - второе формирующее устройство;
11 - временной селектор;
12 - делитель частоты;
13 - управляющее устройство;
14 - счетчик импульсов;
15 - дешифратор.
При этом, выход входного устройства 1 соединен с входом первого интегратора 2, выход которого в свою очередь соединен с входами первого сумматора 4 и первой линии задержки 3, выход первой линии задержки 3 соединен со входом первого сумматора 4, выход первого сумматора 4 соединен со входом второго интегратора 5, выход которого в свою очередь соединен с входами второго сумматора 7 и второй линии задержки 6, выход второй линии задержки 6 соединен с входом второго сумматора 7, выход второго сумматора 7 соединен со входом первого формирующего устройства 8, выход которого соединен с одним входом временного селектора 11, второй вход которого соединен с выходом управляющего устройства 13, выходы которого также соединены с входами счетчика импульсов 14, делителя частоты 12, дешифратора 15, вход управляющего устройства 13 соединен с выходом делителя частоты 12, вход которого, через второе формирующее устройство 10, соединен с выходом кварцевого генератора опорной частоты 9, выход временного селектора соединен со входом счетчика импульсов 14, выход которого соединен со входом дешифратора 15.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
На вход входного устройства 1 сигнал сетевого напряжения с несинусоидальной помехой, описываемый выражением:
На входном устройстве сетевое напряжение в общем случае преобразуется к уровню, необходимому для нормальной работы формирующего устройства 8.
d1
Сигнал с входного устройства 1 поступает на интегратор 2, где производится первая операция интегрирования. После этого производится задержка интегрированного сигнала на время t на линии задержки 3 и суммирование его с сигналом, получаемым на выходе интегратора 2, на сумматоре 4. При этом, у n-й гармоники ряда (1) появится амплитудный коэффициент:
где n - номер гармоники, ω = 2πf - угловая частота основной гармоники.
d2
После этого сигнал, с выхода сумматора 4 поступает на интегратор 5, на котором производится вторая операция интегрирования. Далее на линии задержки 6 производится задержка интегрированного сигнала на время t и суммирование его с сигналом, получаемым на выходе интегратора 5, на сумматоре 7. При этом, у n-й гармоники ряда (1) появится амплитудный коэффициент:
Таким образом, из (3) и (2) следует, что амплитуда высших гармоник в выходном сигнале с сумматора 7 снижается пропорционально 3-ей степени номера гармоники. При этом, за счет операции сложения сигнала с выхода
линии задержки 6 с сигналом с выхода интегратора 5 удается избавиться от постоянной составляющей сигнала.
d1
d2
Следует отметить, что выбор времени t и tможет быть произвольным в интервале равном от 0 до Т/2 основной гармоники.
0
0
Далее сигнал поступает на формирующее устройство 8, где преобразуется в последовательность импульсов. На временной селектор 11 поступает сигнал Т с устройства управления 13. Сигнал Т формируется под действием сигнала кварцевого генератора 9 и его длительность будет определяться, как:
кв
n
где f - частота кварцевого генератора, (5 или 10 МГц), 10 - ступени делителя частоты.
0
За время Т временной селектор 11 пропустит на счетчик импульсов 14 n отсчетов измеряемого сигнала. Таким образом, частота входного сигнала может быть получена по следующей формуле:
Пример.
С выхода формирующего устройства 1 на вход интегратора поступает сигнал u(t)=10sin(ωt)+5sin(9ωt)+5sin(15ωt), представленный на фиг.2а, с частотой первой гармоники 50 Гц. Как видно из фиг.2а, высшие гармоники будут вносить значительные трудности в определение частоты первой гармоники.
После двойной интегральной обработки на выходе сумматора 7 будет сформирован сигнал U(t), представленный на фиг.2б. На фиг.2б видно, что влияние высших гармоник на форму сигнала уменьшено в значительной степени, по сравнению с входным сигналом u(t).
Предлагаемое устройство позволяет снизить влияние высших гармоник на точность измерения частоты, при этом может быть уменьшено время необходимое для измерения частоты до одного периода первой гармоники.
Источники информации
1. Патент RU 2107302, МПК G01R, 23/02. Способ определения частоты электрической сети / Ю.Я. Лямец, А.П. Арсентьев, А.А. Салимон (РФ). - 1998.
2. Алешечкин А.М., Кокорин В.И. «Методы измерения частотно-временных параметров сигналов», - Уч.пособие. - Красноярск: ИПЦ КГТУ. - 2001. - 96с.