УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВОГО ДАТЧИКА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к устройствам измерительной техники и может быть применена в качестве датчика коэффициента мощности при автоматизации и телемеханизации параметров узла нагрузки системы электроснабжения.
Коэффициент мощности является одной из основных энергетических характеристик потребителей электрической энергии.
Датчик коэффициента мощности необходим также для более точного контроля и регулирования температуры индукционных нагревательных установок.
В промышленности и особенно для привода центробежных насосов при добыче нефти все больше применяются частотно-регулируемые электроприводы. Частотные преобразователи выполняются с промежуточным звеном постоянного тока - это либо диодные выпрямители, либо тиристорные преобразователи. Ток фазы первичной обмотки силового трансформатора носит импульсный характер с паузами, прямоугольные разнополярные в двухтактных и прямоугольные однополярные в однотактных (трехфазная нулевая) схемах выпрямления. Это вызывает проблемы в измерении коэффициента мощности. Для конструирования датчика целесообразно выделить из импульсов тока первую гармонику. Кроме точности величины сигнала, к датчику предъявляется требование высокого быстродействия, линейности выходных характеристик при допустимом коэффициенте пульсаций выходного напряжения, что достигается максимальным использованием полезного сигнала в каждый полупериод синусоиды с частотой 100 Гц.
В источнике аналога (А.Ю. Бальзамов, А.Н. Поливцев, Однофазный измеритель коэффициента мощности. «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева». E-mail: mailto:balsamovau@mrsu.ru) приводится описание разработанного прибора, структурная схема которого изображена на рис. 1.
«В качестве основы для построения измерительной части прибора удобно использовать специализированную микросхему ADE7753 фирмы Analog Devices - прецизионный электросчетчик с двумя 16-разрядными АЦП с частотой дискретизации 894 кГц и последовательным интерфейсом SPI, содержащий все схемы обработки сигналов, необходимые для измерения действующих значений напряжения и тока, периода, активной, реактивной и полной мощности, детектирования пересечения нуля и пиковых значений напряжения и тока. Все полученные значения сохраняются во внутренних регистрах микросхемы. ADE7753 может работать с различными типами датчиков тока, включая низкоомные шунты и трансформаторы тока. Кроме того, встроенный цифровой интегратор позволяет работать с дифференцирующими токовыми датчиками типа катушек индуктивности Роговского. Этот непосредственный интерфейс устраняет необходимость применения аналогового интегратора, позволяя обеспечить долгосрочную стабильность параметров и точное согласование фазы между каналами измерения напряжения и тока. В зависимости от типа используемого токового датчика интегратор может быть подключен или отключен. На основе данных, полученных от измеряющей микросхемы, можно рассчитывать коэффициент мощности и производить анализ энергетических процессов, происходящих в сети.
Выпускается микросхема ADE7753 в 20-выводном SSOP-корпусе.
В качестве управляющего микроконтроллера, ответственного за все вычислительные операции был выбран популярный AVR-микроконтроллер AT90S2313 фирмы Atmel с 2 Кб загружаемой флэш-памяти, 128 байтами EEPROM и 15 линиями ввода/вывода общего назначения.
Еще один важный узел разрабатываемого цифрового измерителя коэффициента мощности - индикатор для вывода результатов измерения. Выбор пал на четырехстрочный цифробуквенный жидкокристаллический модуль МТ-20S4M российской фирмы МЭЛТ, состоящий из БИС контроллера управления и ЖК-панели.
Сигналы, пропорциональные значениям напряжения и тока в сети, поступают через датчики тока и напряжения на входы микросхемы-преобразователя ADE7753. После оцифровки все дальнейшие преобразования сигнала, такие как перемножение и фильтрация, происходят с сигналом в цифровом виде. Такой подход обеспечивает очень высокую стабильность и точность при предельных значениях параметров окружающей среды и в течение длительного времени.
Микроконтроллер читает содержимое внутренних регистров микросхемы ADE7753 по SPI-интерфейсу и обрабатывает полученную информацию для получения значений семи основных параметров электроэнергии. После того как микроконтроллером завершена обработка данных, полученных от микросхемы ADE7753, вычисленные значения выводятся на жидкокристаллический индикатор».
Недостатками аналога являются: отсутствие аналоговых выходных сигналов и невозможность применения в системах автоматического управления, отсутствие информации о точности работы устройства измерения в случае прямоугольных однополярных импульсов тока в цепи однотактного выпрямителя.
В источнике прототипа (Бенин В.Л. и Кизилов В.У. Статические измерительные преобразователи электрической мощности. М. «Энергия», 1972.) приводятся схемы, принцип действия и аналитические выводы преобразователей мощности с синусоидальным опорным напряжением, использующие свойства тригонометрических функций (стр. 47-53).
1
2
1
1
3
«На рис. 2а (сканированная копия) управление транзистором Т осуществляется разностью постоянного тока I и выпрямленного синусоидального тока , транзистор открыт в течение интервала времени, когда . Транзистор Т является ключевым элементом амплитудного модулятора, питаемого выпрямленным синусоидальным напряжением , которое пропорционально току в измеряемой цепи. На рис. 2(б-д) приведены кривые наиболее характерных напряжений и токов в приведенной схеме множительно-делительного устройства при условии, что напряжения u и u синусоидальны и сдвинуты по фазе на угол γ».
H
H
Далее приводится аналитическое доказательство, что среднее напряжение u на резисторе r (рис. 2d) пропорционально активной мощности в измеряемой цепи.
На рис. 3 (сканированная копия) приведена принципиальная схема преобразователя на основе множительно-делительного устройства, изображенного на рис. 2.
T
2
2
2
2
3
0
M
1
2
1
φ
φ
φ
На схеме первичными датчиками являются трансформатор тока ТТ, нагрузкой которого является активное сопротивление r, и трансформатор напряжения ТН, с первой вторичной обмотки которого напряжение выпрямляется выпрямителем В и фильтруется цепью r, с, с второй вторичной обмотки напряжение поступает на базы транзисторов Т, Т для создания прямоугольных импульсов во вторичной обмотке трансформатора ТМ. Генератор прямоугольных импульсов питается напряжением U от стабилизатора напряжения CH. Переменное напряжение прямоугольной формы u с вторичной обмотки ТМ преобразуется в синусоидальное опорное напряжение с помощью пассивного фильтра низких частот L, L, C, которое сдвигается по фазе этим фильтром приближенно на 90°. точная настройка фазового сдвига на 90° производится цепью r, С, Ζ.
1
2
1
Недостатками прототипа являются: невозможность измерения в электрических цепях с формой тока отличающейся от синусоидальной, сложность технической реализации пассивного фильтра низких частот L, L, C, особенно при изготовлении индуктивностей, с помощью одного каскада фильтра маловероятно получить эталонное синусоидальное напряжение.
Анализ показывает, что в устройстве (рис. 3) нет амплитудной модуляции, также нет умножения и деления. Под умножением понимается, если увеличить напряжение, например, в два раза, то сила тока тоже увеличится в два раза, а мощность увеличится в четыре раза, соответственно увеличатся длительность и амплитуда импульсов в два раза, а напряжение на выходе в четыре раза - это нельзя назвать умножением.
Несмотря на то, что прототипом является датчик активной мощности, он может быть принят в качестве прототипа, так как в предлагаемой полезной модели применяется импульсно - фазовый, амплитудный преобразователь, использующий свойства тригонометрических функций.
Анализ устройства также показывает, что изменяя предварительный сдвиг по фазе на 90°, можно получить датчик реактивной мощности, а также при определенных условиях можно получить датчик коэффициента мощности, поэтому это устройство принято в качестве прототипа.
Техническим результатом является создание устройства аналогового датчика коэффициента мощности с аналоговым выходом и возможностью подключения измерительного прибора, выходное напряжение при cosφ=1 не менее 5,0 В, высокое быстродействие (постоянная времени 0,03 с), возможность измерения в электрических цепях промышленной частоты при любой форме тока, сигнализация при опережении фазового сдвига тока относительно напряжения.
Технический результат достигается тем, что в устройстве аналогового датчика коэффициента мощности, который содержит импульсно-фазовый, амплитудный преобразователь, трансформатор тока и трансформатор напряжения, при любой форме тока, с нагрузочного резистора промежуточного трансформатора тока напряжение поступает на два последовательно включенных фильтра низких частот в канале тока для выделения напряжения первой гармоники, которое подается на фильтр высоких частот, после которого напряжение одновременно подается на фазосдвигающее устройство и на компаратор инвертирующий в канале тока, с фазосдвигающего устройства напряжение подается на компаратор не инвертирующий в канале тока, с обоих компараторов выделяются положительные составляющие прямоугольных импульсов, которые нормализуются логическими элементами и поступают на входы исключающего ИЛИ, выход которого соединяется с инвертором на элементе И-НЕ, с которого короткие импульсы подаются на базу импульсно - фазового, амплитудного преобразователя, с трансформатора напряжения переменное напряжение подается на вход компаратора не инвертирующего в канале напряжения, с которого разнополярные прямоугольные импульсы подаются на интегратор, напряжение треугольной формы с которого подается на два последовательно включенных фильтра низких частот в канале напряжения для получения эталонного синусоидального напряжения, затем напряжение поступает на фазовращатель, с которого это напряжение подается на прецизионный выпрямитель, с которого напряжение подается на коллектор импульсно - фазового, амплитудного преобразователя, выход которого подключен к фильтру постоянного тока с инвертирующим усилителем, затем после инвертирования к выходной клемме для подключения прибора измерения, кроме того сигналы из каналов тока и напряжения поступают на вход устройства сигнализации.
В устройстве аналогового датчика коэффициента мощности при любой форме тока выделяется первая гармоническая составляющая, которая служит для получения коротких импульсов стабильной длительности с возможностью сдвига по фазе при изменении фазы тока, вырабатывается эталонное синусоидальное напряжение, которое после выпрямителя используется в качестве тригонометрической функции для определения коэффициента мощности, используется возможный полезный сигнал после исключающего ИЛИ с частотой 100 Гц.
С этой целью предварительно проведены экспериментальные исследования устройств выделения первой гармоники тока. Исследованы фильтры низких частот Баттерворта и с нулевым смещением, полосовые фильтры с многопетлевой обратной связью и с вещественными полюсами. Исследованы также все сочетания их последовательного включения и варьирование основных параметров добротности и коэффициентов демпфирования. В результате установлено, что наилучшие характеристики можно получить при двух последовательно включенных фильтрах Баттерворта. Однако при этом предъявляются повышенные требования к точности параметров схемы, в противном случае результирующий фазовый сдвиг между входным и выходным сигналами, после инвертирования, не будет равен нулю. Аналогичные характеристики получаются с двумя последовательно включенными фильтрами с нулевым смещением и коэффициентом демпфирования ξ=0,707. Несмотря на увеличение количества элементов схемы, целесообразно применить фильтры с нулевым смещением, позволяющие с помощью переменного резистора, при незначительном изменении коэффициента демпфирования ±5,0%, установить после инвертирования нулевой фазовый сдвиг между входной эталонной синусоидой от генератора синусоидальных сигналов (ГСС) и на выходе фильтров в канале тока при частоте 50,0 Гц.
Экспериментальные исследования проводились также с целью выявления фазового сдвига первой гармоники на выходе фильтров относительно прямоугольных импульсов на входе, полученных из эталонной синусоиды от ГСС. На рис. 4 показана эталонная синусоида и полученные с помощью компаратора прямоугольные импульсы однополярные и двухполярные (пунктир), которые подавались на вход фильтров. На рис. 5 показаны осциллограммы переменной составляющей синусоиды на выходе фильтров и прямоугольные импульсы на входе, откуда видно, что выделенная первая гармоника имеет такой же фазовый сдвиг как и при эталонной синусоиде на входе.
Структурная схема устройства аналогового датчика коэффициента мощности приведена на рис. 6, принципиальная схема, на которой элементы выделены пунктиром и обозначены в соответствии с структурной схемой, приведена на рис. 7.
Элементы схем:
1 - промежуточный трансформатор тока;
2 - первый фильтр низких частот в канале тока;
3 - второй фильтр низких частот в канале тока;
4 - фильтр высоких частот;
5 - фазосдвигающее устройство;
6 - компаратор инвертирующий в канале тока;
7 - компаратор не инвертирующий в канале тока;
8 - исключающее ИЛИ;
9 - инвертор на элементе И - НЕ;
10 - импульсно-фазовый, амплитудный преобразователь;
11 - трансформатор напряжения;
12 - компаратор не инвертирующий в канале напряжения;
13 - интегратор;
14 - первый фильтр низких частот в канале напряжения;
15 - второй фильтр низких частот в канале напряжения;
16 - фазовращатель;
17 - прецизионный выпрямитель;
18 - фильтр постоянного тока с инвертирующим усилителем;
19 - выходная клемма для подключения прибора измерения;
20 - устройство сигнализации.
Краткие характеристики элементов схем:
промежуточный трансформатор тока, включается на нагрузочный резистор, на котором напряжение пропорциональное току измеряемой цепи;
фильтры низких, активные на операционных усилителях, второго порядка, с нулевым смещением и с повторителем на выходе, имеют регулировочный резистор фазы;
фильтр высоких частот первого порядка, пропускающий без ослабления частоту 50,0 Гц. и не пропускающий постоянную составляющую тока;
фазосдвигающее устройство на (8-10)° с инвертированием синусоиды на выходе; для нормализации фронтов импульсов после компараторов установлены логические элементы И - НЕ;
трансформатор напряжения с выходом 6,0 В;
интегратор на операционном усилителе для получения разнополярного напряжения треугольной формы;
фазовращатель для настройки соответствия фаз тока и напряжения; прецизионный выпрямитель с положительным напряжением на выхоле;
устройство сигнализации отставания или опережения тока от напряжения по фазе.
1
2
3
4
3
5
6
7
8
В канале тока первичным датчиком является промежуточный трансформатор тока 1, вторичная обмотка которого включена на нагрузочное сопротивление. Напряжение с этого сопротивления U, пропорциональное току, подается на вход двух последовательно включенных фильтров низких частот в канале тока 2,3 второго порядка с нулевым смещением, на выходе которых выделяется первая гармоника с постоянной составляющей U. Полученный сигнал поступает на фильтр высоких частот 4, который пропускает только переменную составляющую U. Полученная первая гармоническая составляющая подается одновременно на два канала. В первом канале переменный сигнал U сдвигается по фазе фазосдвигающим устройством 5 на (8-10)°, с которого поступает на вход компаратора инвертирующего в канале тока 6 для преобразования синусоиды в прямоугольные импульсы. Во втором канале переменный сигнал U подается на компаратор не инвертирующий в канале тока 7 без сдвига по фазе также для получения прямоугольных импульсов. С выходов обоих компараторов диодами выделяются положительные импульсы, которые нормализуются элементами И - НЕ U, U. Импульсы с элементов И - НЕ поступают на входы исключающего ИЛИ 8, на выходе которого U короткие импульсы (8-10)°, которые затем инвертируются U элементом И - НЕ 9, с которого они поступают на базу транзистора импульсно - фазового, амплитудного преобразователя 10. Диаграммы напряжений приведены на рис. 8 с указанием напряжений в контрольных точках.
9
10
В канале напряжения первичным датчиком является трансформатор напряжения 11, переменное напряжение с которого преобразуется в прямоугольные разнополярные импульсы компаратором не инвертирующим в канале напряжения 12. С компаратора импульсы поступают на вход интегратора 13, на выходе которого будет напряжение треугольной формы, которое лучше и точнее преобразуется в эталонное синусоидальное напряжение с помощью двух последовательно включенных фильтров низких частот в канале напряжения 14, 15. Полученное синусоидальное напряжение подается на вход фазовращателя 16, с помощью которого можно изменять фазу в широких пределах переменным резистором. Затем эталонное напряжение подается на вход прецизионного выпрямителя 17, с которого напряжение в виде положительных полуволн U подается на коллектор транзистора импульсно-фазового, амплитудного преобразователя 10. С выхода которого импульсы поступают на фильтр постоянного тока с инвертирующим усилителем 18, к выходу которого U может быть подключена выходная клемма для подключения прибора измерения 19.
На рис 9 показаны временные диаграммы импульсов измерения коэффициента мощности с указанием напряжений в контрольных точках.
Таким образом полученное эталонное напряжение в виде положительных полуволн синусоидальной формы используется как тригонометрическая функция из которой в виде коротких импульсов получается сигнал пропорциональный косинусу угла сдвига между напряжением и током или коэффициенту мощности.
Прямоугольный сигнал из канала измерения тока и синусоидальный сигнал из канала измерения напряжения подаются на устройство сигнализации 20, дающее информацию об отставании или опережении по фазе тока от напряжения. Светодиод светит, когда ток отстает от напряжения и не светит, когда ток опережает напряжение.
ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМЫ
Фильтр низких частот
В качестве фильтра низких частот применяется схема с нулевым смещением (рис. 10),которая имеет наиболее простую настройку элементов. Большое выходное сопротивление R1 устраняется повторителем DA2.
Передаточная функция
,
где  - частота сопряжения,
1
2
1
2εТ=(С+C)R,
- коэффициент демпфирования, 2 JRXR2C^C2
- добротность.
0
-1
, ω=2πf=2π·50=314c.
2
1
2
1
Задаемся C>C и обозначим , С=kC
Получим формулы расчета при заданном ε=0,707. Вначале рассчитывается
, а затем
Фазовращатель
2
3
Фазовращатель (рис. 11) с коэффициентом усиления на любых частотах, при R=R равным 1,0.
Передаточная функциями
Уравнение фазовой характеристики
1
φ(ω)=180-2arctg(ωRC)
0
1
1
Задаваясь С=0,22 мкФ, величинами R2=R3=10,0 кОм, для фазового сдвига φ=90°, при ω=ω, рассчитывается среднее значение R, затем для расширения диапазона регулирования фазы принимается 2R.
Фильтр высоких частот
Фильтр высоких частот рис. 12 предназначен для выделения переменной составляющей входного сигнала.
Передаточная функция
,
Необходимо выполнить условие
,
чтобы сигнал при рабочей частоте f=50,0 Гц не уменьшался по амплитуде
-6
Задаваясь, например, С=1·10, получим
.
Фазосдвигающий элемент (рис. 13)
Передаточная функция
,
Сдвиг по фазе
0
-1
-6
задаваясь φ=-10°, при ω=314 с, и задаваясь С=0,1·10 ф, вычисляется
,
2
и принимается 1,5 R для регулирования φ.
Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, совпадающие с заявленным решением, что позволяет сделать вывод о том, что полезная модель имеет изобретательский уровень. Изобретение является промышленно применимым, оно может быть использовано в качестве датчика систем регулирования коэффициента мощности и телемеханизации систем электроснабжения, при измерении температуры в индукционных установках и в электроизмерительной технике. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию полезной модели «новизна».
Список документов, цитированных в отчете о поиске
Поиск производился в поисковой системе http://www.fips.ru в областях запроса «УСТРОЙСТВЕ АНАЛОГОВОГО ДАТЧИКА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ» и «УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ».
Всего просмотрено более 10 рефератов, а также материалы открытой печати и материалы в интернете. Из них проанализированы, наиболее пригодные по тематике, следующие работы:
1. А.Ю. Бальзамов, А.Н. Поливцев, Однофазный измеритель коэффициента мощности. «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева». Е-mail: mailto:balsamovau@mrsu.ru
2. Бенин В.Л. и Кизилов В.У. Статические измерительные преобразователи электрической мощности. М. «Энергия», 1972
Анализ устройств в приведенных источниках
В [1] приводится описание цифрового измерительного устройства, отсутствие аналоговых выходных сигналов не позволяет применять его в системах автоматического управления, не приводится возможность работы устройства при измерении, когда ток в виде прямоугольных однополярных импульсов в цепи однотактного выпрямителя.
В [2] приводится датчик активной мощности, с ключевыми словами названий: «время - импульсный преобразователь средней мощности», «транзистор является ключевым элементом амплитудного модулятора», «множительно-делительное устройство, использующее свойства тригонометрических функций», который может работать только в цепях с синусоидальными формами тока и напряжения. Несмотря на то, что это датчик активной мощности, устройство может быть принято в качестве прототипа, так как в предлагаемой полезной модели, как способ, применяется импульсно - фазовый, амплитудный преобразователь, использующий свойства тригонометрических функций.