ИЗМЕРИТЕЛЬ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
REACTIVE POWER MEASUREMENT DEVICE

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в измерительных преобразователях реактивной мощности как при синусоидальных, так и при несинусоидальных формах напряжения и тока, а также в качестве датчика реактивной мощности при учете реактивной энергии. Реактивная мощность (РМ) характеризует энергию, потребляемую от источника, идущую на создание электрического и магнитного полей в нагрузке и возвращаемую в источник в течение каждого полупериода напряжения сети.
Известны различные типы измерителей РМ, предназначенные для измерения реактивной энергии в электрических сетях, к которым относятся приборы электродинамической системы (ваттметры) [Электрические измерения. Учебник для ВУЗов. / Байда Л.И., Добротворский Н.С., Душнин Е.М. и др. - Л.: Энергия. 1980. 118 с.], а также электронные преобразователи (датчики) РМ [Техническое описание и инструкция по эксплуатации счетчика электрического трехфазного активной и реактивной энергии. 441 с.] К недостатком упомянутых измерителей относится то, что они при несинусоидальной форме напряжения или тока имеют погрешность, зависящую от формы напряжения сети. Причем эта погрешность прямо пропорциональна коэффициенту несинусоидальности напряжения и тока.
Известен также измеритель РМ [Патент РФ №2075754 C1, G01B 21/06 от 20.03.1997], который мог бы использоваться для измерения РМ как при синусоидальных, так и при несинусоидальных формах напряжения и тока. Однако указанный измеритель РМ не позволяет определить характер действующей нагрузки, так как не дает информацию о действующей нагрузке индуктивной или емкостной. Отсюда известный измеритель РМ не используется в системах автоматического регулирования для компенсации реактивной энергии, например, в возбудителях синхронных машин.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является измеритель РМ [Патент РФ №2293340 C1, G01R 21/06 от 19.07.2005], который содержит измерительный трансформатор напряжения и измерительный трансформатор тока, выходы которых подключены к перемножающему устройству, а к выходу последнего подключены входы однополупериодного выпрямителя, блок определения характера РМ, сигнальные входы которого подключены к выходам однополупериодного выпрямителя, а выход блока определения характера РМ является выходом измерителя РМ. Известный измеритель позволяет определить характер РМ.
Однако конструкция известного измерителя РМ сравнительно сложна. Блок определения характера РМ содержит группу переключающих ключей. Наличие группы ключей усложняет в целом процесс в измерителе и, кроме того, затрудняет для специалистов понятие протекающих процессов в измерителе РМ.
Задача данного изобретения заключается в устранении указанного недостатка, т.е. в создании измерителя РМ с определением характера РМ с меньшим количеством переключающих ключей.
Поставленная цель достигается тем, что в измерителе РМ, содержащем измерительный трансформатор напряжения и измерительный трансформатор тока, выходы которых подключены к перемножающему устройству, а к выходу последнего подключены входы однополупериодного выпрямителя, блок определения характера РМ, сигнальные входы которого подключены к выходам однополупериодного выпрямителя, а сигнальный выход которого является выходом РМ, фазосдвигающее устройство, в него введено дополнительное перемножающее устройство, входы которого подключены одни непосредственно, а другие через фазосдвигающее устройство к трансформатору напряжения, а выходы к управляющему входу блока определения характера РМ.
В варианте исполнения измерителя РМ блок определения характера РМ содержит инвертор сигнала и переключающий ключ, соединяющий вход и выход блока определения характера РМ, а инвертор сигнала и переключающий ключ образуют другую последовательную цепь, соединяющую также вход и выход блока определения характера РМ.
Такое выполнение измерителя РМ приводит к упрощению его конструкции, а также к упрощению понятия процессов, протекающих в измерителе, для специалистов.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана структурная схема предлагаемого измерителя РМ; на фиг.2 - вариант выполнения однополупериодного выпрямителя; на фиг.3 - функциональная схема выполнения блока определения характера РМ; на фиг.4 и на фиг.5 - временные диаграммы измерителя РМ для случая индуктивной и емкостной нагрузки.
Предлагаемый измеритель РМ содержит измерительный трансформатор 1 напряжения и измерительный трансформатор 2 тока, выходы которых соединены с входами перемножающего устройства 3. В качестве перемножающего устройства 3 в предлагаемом измерителе может использоваться импульсное перемножающее устройство. Выходы перемножающего устройства 3 соединены со входами однополупериодного выпрямителя 4. Сигнальные входы блока 5 определения характера РМ подключены к выходам однополупериодного выпрямителя 4, а сигнальные выходы блока 5 определения характера РМ являются выходами РМ. Измеритель РМ содержит также фазосдвигающее устройство 6. В измеритель РМ введено дополнительное перемножающее устройство 7, входы которого подключены одни непосредственно, а другие через фазосдвигающее устройство 6 к трансформатору 1 напряжения, а выходы к управляющему входу блока 5 определения характера РМ.
Блок определения характера РМ содержит инвертор 10 сигнала и переключающий ключ 11. Ключ 11 соединяет вход и выход блока 5 определения характера РМ, а инвестор 10 сигнала и этот же переключающий ключ 11 образуют другую последовательную цепь, соединяющую также вход и выход блока 5 определения характера РМ. Блок 5 определения характера РМ представляет собой фазовый детектор.
В качестве фазосдвигающего устройства может использоваться интегратор напряжения.
Однополупериодный выпрямитель 4 (см. фиг.2) может быть выполнен в виде компаратора 8 и управляющего ключа 9.
Работает измеритель РМ следующим образом.
Напряжение на нагрузке одновременно поступает на первичную обмотку измерительного трансформатора 1 напряжения. На выходной обмотке измерительного трансформатора 1 напряжения получается мгновенное напряжение
и
где к - коэффициент трансформации измерительного трансформатора 1 напряжения;
н
u - мгновенное напряжение на нагрузке.
Ток нагрузки проходит через первичную обмотку измерительного трансформатора 2 тока и на его выходной обмотке получается мгновенное напряжение
i
где к - коэффициент трансформации измерительного трансформатора 2 тока;
н
i - мгновенный ток нагрузки;
2
R - сопротивление нагрузки на выходе измерительного трансформатора 2 тока.
3
3
Сигналы с измерительного трансформатора 1 напряжения и измерительного трансформатора 2 тока подаются на входы перемножающего устройства 3. Выходное напряжение u (см. фиг.1) перемножающего устройства поступает на вход однопериодного выпрямителя 4, который представляет собой управляемый ключ, пропускающий одну из полярностей выходного напряжения u (фиг.4 и фиг.5 - отрицательную полярность), т.е. пропускающий на время возврата запасенной энергии из нагрузки в сеть. Это происходит дважды за период.
3
3
1
2
3
4
4
4
4
4
Напряжение u усиливают и ограничивают компаратором 8 однополупериодного выпрямителя 4 (см. фиг.2). Тем самым на выходе компаратора 8 получаются импульсы напряжения прямоугольной формы, моменты изменения полярности которых совпадают с моментами изменения полярности напряжения u. Компаратором 8 управляется ключ 9. В промежутках времени t-t и t-t (см. фиг.4 и фиг.5) ключ замкнут. В течение этих промежутков времени запасенная в нагрузке энергия возвращается в сеть. Мгновенное выходное напряжение u однополупериодного выпрямителя 4 будет пропорционально мгновенной мощности, отдаваемой в нагрузку. Среднее значение выходного напряжения u однополупериодного выпрямителя 4 дает информацию о текущем значении (величине) мощности, отдаваемой в нагрузку. Однако в выходном напряжении u еще нет информации о характере РМ. Как при индуктивной, так и при емкостной нагрузке полярность напряжения u остается неизменной.
1
6
1
6
7
7
5
4
5
4
5
4
4
5
Напряжение u с выходной обмотки измерительного трансформатора 1 поступает на фазосдвигающее устройство 6 и одновременно на один из входов дополнительного перемножающего устройства 7. С выхода фазосдвигающего устройства 6 напряжение u поступает на другой вход перемножающего устройства 7. Перемножением напряжений u и напряжения u получается напряжение u, частота которого в два раза выше частоты сети. Напряжение u с выхода перемножающего устройства 7 управляет ключом 11. Напряжение u с выхода блока определения характера РМ и, следовательно, на выходе измерителя РМ при индуктивной нагрузке будет иметь положительную полярность (см. фиг.4), так как напряжение u отрицательной полярности с выхода выпрямителя 4 проходит через инвертор 10, когда ключ 11 находится в низшем положении. При емкостной нагрузке (см. фиг.5) напряжение u на выходе блока определения характера РМ будет иметь отрицательную полярность, так как напряжение u с выхода выпрямителя 4 проходит на выход измерителя РМ, минуя инвертор 10, в интервале времени, когда ключ 11 находится в верхнем положении. Отсюда на выходе блока 5 определения характера РМ получают напряжение u различной полярности, u или (-u) в зависимости от характера нагрузки. После сглаживания импульса напряжения u можно получить постоянное напряжение, значение которого пропорционально величине реактивной мощности, а по знаку соответствует характеру РМ.
Таким образом, предлагаемый измеритель РМ может быть использован в системах автоматического регулирования, в частности в возбудителе синхронных машин для компенсации РМ.
н
н
1
2
7
1
В связи с тем, что в предлагаемом измерителе сохраняется непосредственное перемножение мгновенных значений напряжения u(t) и тока i(t) в процессе возврата энергии в сеть, т.е. мгновенные значения сигналов u и u не подвергаются каким-либо дополнительным преобразованиям (например, прохождение через фазосдвигающее устройство), то, следовательно, сохраняется точность измерения РМ как при синусоидальных, так и при несинусоидальных режимах потребления энергии. Погрешности сдвигающего устройства 6 и перемножающего устройства 7 не влияют на точность измерения РМ, так как напряжение u задает всего лишь вышеупомянутые определенные интервалы времени относительно момента изменения полярности напряжения u.
По сравнению с уже известным измерителем РМ предлагаемый измеритель РМ содержит меньшее количество переключающих ключей. В результате чего упрощается его конструкция, повышается надежность его работы. Уменьшение количества ключей приводит также к упрощению процессов, протекающих в измерителе РМ, и к упрощению понятий этих протекающих процессов в измерителе РМ для специалистов.