УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Заявляемое устройство относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения текущего значения реактивной мощности трехфазной цепи переменного тока.
Известно устройство для измерения активной и реактивной составляющих мощности в цепях переменного тока с установившимся синусоидальным режимом, содержащее первичные преобразователи тока и напряжения, подключенные к входам аналого-цифровых преобразователей, соединенных через мультиплексор и вычислительный блок с блоком управления. Кроме этого, к блоку управления подключены генератор опорной частоты, ключ и реверсивный счетчик [1]. Выборки мгновенных значений тока и напряжения первичные преобразователи подают на аналого-цифровые преобразователи, преобразующие их в цифровые сигналы. Сигналы обрабатывают в блоке управления, после чего в вычислительном блоке рассчитывают мгновенные значения мощности и усредняют их для получения значения активной и реактивной составляющих мощности в исследуемой цепи в течение заданного интервала времени.
Недостатком данного устройства является то, что для определения уровня потребляемой мощности электроэнергии в многофазных цепях согласно [1], предусматривающему одновременное проведение замеров мгновенных значений тока и напряжения во всех исследуемых цепях, требуется количество аналого-цифровых преобразователей, равное количеству исследуемых цепей, что усложняет алгоритм вычислений и схему управления.
Следствием этого является снижение быстродействия и надежности.
Известно устройство для измерения электрической мощности и энергии, содержащее блок обработки информации, аналого-цифровой преобразователь, интерфейсный блок, мультиплексоры, входы которых соединены с выходами измерительных преобразователей напряжения и тока соответственно [2]. Недостатком известного устройства являются невысокая точность измерения и ограниченные функциональные возможности, так как оно не позволяет непрерывно производить измерение электрической мощности одновременно на всех датчиках, подключенных к мультиплексору.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство измерения реактивной мощности трехфазной цепи переменного тока [3]. Устройство с одержит в первом варианте множительный блок, нуль-орган, ключ, преобразователь среднего значения фазного тока и преобразователь действующего значения линейного напряжения. Во втором варианте исполнения устройства для оценки реактивной мощности в отрицательном полупериоде напряжения сети вводят второй нуль-орган, второй ключ, два инвертора и сумматор.
Данное устройство, обеспечивающее измерение уровня реактивной мощности трехфазной сети переменного тока, включает в свой состав аналоговый умножитель, который снижает точность устройства. Кроме того, известное устройство не обеспечивает определения характера реактивной мощности.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в увеличении точности измерения и достигается тем, что в устройстве для измерения реактивной мощности трехфазной цепи переменного тока, включающем множительный блок, два нуль-органа, два ключа, два инвертора, сумматор, преобразователь среднего значения фазного тока и преобразователь действующего значения линейного напряжения, множительный блок заменяется блоком выделения модуля и широтно-импульсным преобразователем, состоящим из генератора пилообразного напряжения, компаратора и ключа. Кроме того, в устройство измерения реактивной мощности дополнительно введены преобразователь среднего значения реактивной мощности и релейный элемент с зоной нечувствительности, что позволяет определить характер измеряемой реактивной мощности трехфазной сети переменного тока и, тем самым, расширить функциональные возможности устройства.
На фигуре представлена структура предлагаемого устройства измерения реактивной мощности трехфазной сети переменного тока.
Устройство содержит преобразователь действующего значения линейного напряжения 1, инверторы 2 и 3, нуль-органы 4 и 6, ключи 5, 7 и 14, сумматор 8, преобразователь 9 среднего значения фазного тока, блок выделения модуля 10, релейный элемент с зоной нечувствительности 11, генератор пилообразного напряжения 12, компаратор 13, преобразователь 15 среднего значения реактивной мощности.
Первый вход устройства соединен с входом преобразователя 1 действующего значения напряжения, первого инвертора 2 и входом первого нуль-органа 4, выход которого соединен с управляющим входом первого ключа 5, информационный вход которого соединен со вторым входом устройства, а выход первого ключа 5 соединен с первым входом сумматора 8, выход которого соединен с входом преобразователя 9 среднего значения тока, выход которого соединен с входом блока выделения модуля 10 и входом релейного элемента с зоной нечувствительности 11, выход которого соединен с вторым выходом устройства. Выход блока выделения модуля 10 соединен с информационным входом третьего ключа 14, выход которого соединен с входом преобразователя 15 среднего значения реактивной мощности, выход которого соединен с первым выходом устройства. Выход генератора пилообразного напряжения 12 соединен с вторым входом компаратора 13, а первый вход компаратора соединен с выходом преобразователя 1 действующего значения напряжения. Выход компаратора 13 соединен с управляющим входом третьего ключа 14. Выход первого инвертора 2 соединен с входом второго нуль-органа 6, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа 7, а информационный вход второго ключа 7 соединен с выходом второго инвертора 3, вход которого соединен с вторым входом устройства, а выход второго ключа 7 соединен с вторым входом сумматора 8.
АВ
С
На входы устройства поступают сигналы с датчиков напряжения U и тока I, пропорциональные мгновенным значениям линейного напряжения между первой и второй фазами  и тока третьей фазы .
АВ
Ток  за период линейного напряжения U равен
СР
АВ
Интегральное среднее значение I тока  за период напряжения U равно
данное выражение с учетом (1) можно преобразовать следующим образом
СР
тогда интегральное среднее значение I будет равно
I
где k - коэффициент трансформации масштабного преобразователя тока.
СР
В соответствии с выражениями (1)-(5) определение среднего значения тока I, пропорционального фазному току  и синусу угла сдвига фаз между напряжением и током, осуществляется за счет введения двух каналов, переключение которых происходит в зависимости от знака напряжения . Необходимость введения двух каналов, обусловлена тем, что среднее значение тока за период при неизменной нагрузке равно нулю.
АВ
В положительный полупериод при U≥0 выходной сигнал l нуль-органа 4, подключенного к первому входу устройства, равен
Сl
тогда выходной сигнал i ключа 5, информационный вход которого соединен со вторым входом устройства, равен
АВ
В отрицательный полупериод напряжения при U≤0 выходной сигнал m нуль-органа 6, подключенного к выходу инвертора 2, вход которого соединен с первым входом устройства, равен
Сm
тогда выходной сигнал i ключа 7, информационный вход которого соединен с выходом инвертора 3, вход которого соединен со вторым входом устройства, равен
СР
На выходе сумматора 8, входы которого соединены с выходом первого ключа 5 и выходом второго ключа 7, формируется выходной сигнал равный , а на выходе преобразователя 9 среднего значения тока, вход которого соединен с выходом сумматора 8, формируется выходной сигнал I в соответствии с уравнениями (1), (2).
СР
m
Сигнал I будет пропорционален току фазы I и sinφ по уравнению
ПР1
где k - коэффициент передачи преобразователя среднего значения тока .
СР
СР
Сигнал I подается на вход блока выделения модуля 10. Выделение модуля сигнала I необходимо для обеспечения работы широтно-импульсного преобразователя.
Л
АВ
в
Далее, с помощью преобразователя действующего значения напряжения определяется сигнал постоянного напряжения, пропорциональный действующему значению линейного напряжения U, и при входном сигнале преобразователя U его выходной сигнал U равен
U
где k - коэффициенты трансформации масштабного преобразователя напряжения;
в
k - коэффициент передачи преобразователя действующего значения напряжения.
СР
в
Определяемые из (6а) и (7) средние значения реактивного тока I и напряжения U с помощью операции широтно-импульсного преобразования, выполняемой генератором пилообразного напряжения 12; компаратором 13 (первый вход которого соединен с выходом преобразователя 1 среднего значения напряжения, подключенного к первому входу устройства, а второй вход - с выходом генератора пилообразного напряжения 12); ключом 14 (информационный вход которого соединен с выходом блока выделения модуля 10, а управляющий вход с выходом компаратора 13), на входе преобразователя 15 среднего значения реактивной мощности преобразуются в последовательность импульсов, ширина которых пропорциональна действующему значению напряжения между первой и второй фазами, а амплитуда - среднему значению реактивного тока. Площадь импульсов пропорциональна реактивной мощности трехфазной сети переменного тока, и таким образом, на выходе преобразователя получается сигнал q пропорциональный среднему значению реактивной мощности Q трехфазной сети в каждом полупериоде напряжения
в
где γ - скважность импульсов пропорциональная значению U;
ПР2
k - коэффициент передачи преобразователя среднего значения реактивной мощности.
Величина среднего значения реактивной мощности равна
где k - коэффициент преобразования
СР
Q
Сигнал I, пропорциональный среднему значению реактивного тока, также подается на вход релейного элемента с зоной нечувствительности 11, на выходе которого формируется сигнал s, отражающий знак (характер) реактивной мощности.
Q
Для функции, отражающей характер реактивной мощности s запишется
Q
СР
С
В свою очередь, s определяется знаком среднего значения I тока i
Осуществление полезной модели
Заявленное устройство для измерения реактивной мощности трехфазной сети переменнного тока может быть реализовано на аналоговых или/и цифровых микросхемах малой и средней степени интеграции, программно-аппаратным способом на микропроцессорном контроллере или электронной вычислительной машине (ЭВМ).
В качестве элементной базы для реализации устройства могут быть использованы отечественные аналоговые интегральные микросхемы или их зарубежные аналоги, например: первый 4 и второй 6 нуль-органы, релейный элемент с зоной нечувствительности 11 и компаратор 13 могут быть выполнены на аналоговых компараторах 521 (MA711) и 554 (MA711, MA710, LM111) серии; первый 5, второй 7 и третий 14 ключи на аналоговых ключах 590 серии или аналоговых коммутаторах 561 и 590 серии (HI1800, HI509A); преобразователь 9 среднего значения тока, преобразователь 1 действующего значения напряжения, преобразователь 15 среднего значения реактивной мощности, первый 2 и второй 7 инверторы, сумматор 8, блок выделения модуля 10, генератор пилообразного напряжения 12 могут быть выполнены на операционных усилителях, например 140 серии (MA741, MA747C).
Применение предлагаемого устройства измерения реактивной мощности трехфазной сети переменного тока позволяет строить простые, дешевые, надежные, с возможностью интегрального исполнения датчики систем контроля и регулирования реактивной мощности, например, в устройствах компенсации реактивной мощности электроустановок различного назначения с целью повышения качества энергопотребления.
Источники информации
1. Способ измерения активной и реактивной составляющих мощности в цепях переменного тока с установившимся синусоидальным режимом. Заявка на изобретение №4898386/10, 29.12.1990, патент RU 2039358. Мелентьев В.С., Шутов В.С., Баскаков В.С.
2. Устройство для измерения электрической мощности и энергии. Заявка на изобретение №97116929/09, 15.10.1997, патент RU 2138827, 27.09.1999. Болгов В.Т.
3. Способ измерения реактивной мощности трехфазной сети переменного тока и устройство для его осуществления. Заявка на изобретение №95107390/07, 10.05.1995. Присмотров Н.И., Протасов А.П., Холманских В.М., Хорошавин В.С.