RU2401432C1

RU2401432C1 - Reactive power measurement device

Info

Publication number: RU2401432C1
Application number: RU2009139251/28A
Authority: RU
Inventors: Анастасия Владимировна Степанова (RU); Анастасия Владимировна Степанова; Владимир Исакович Степанов (RU); Владимир Исакович Степанов
Original assignee: Анастасия Владимировна Степанова; Владимир Исакович Степанов
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2010-10-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device includes the following: a measuring voltage transformer, a measuring current transformer, two multipliers, a unit for determining reactor power behaviour, a half-wave rectifier and a phase-shifting device.

EFFECT: simple design of the device for measuring reactive power owing to fewer switches.

2 cl, 5 dwg

Description

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.The invention relates to electrical engineering and can be used in measuring transducers of reactive power with both sinusoidal and non-sinusoidal forms of voltage and current, as well as a reactive power sensor when taking into account reactive energy. Reactive power (PM) characterizes the energy consumed from the source, which is used to create electric and magnetic fields in the load and returned to the source during each half-cycle of the mains voltage.

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.Various types of RM meters are known for measuring reactive energy in electrical networks, which include electrodynamic system devices (wattmeters) [Electrical measurements. Textbook for high schools. / Baida L.I., Dobrotvorsky N.S., Dushnin E.M. et al. - L.: Energy. 1980. 118 p.], As well as electronic converters (sensors) of the RM [Technical description and operating instructions for a three-phase electric meter of active and reactive energy. 441 pp.] The disadvantage of the mentioned meters is that they, with a non-sinusoidal form of voltage or current, have an error depending on the shape of the network voltage. Moreover, this error is directly proportional to the coefficient of non-sinusoidality of voltage and current.

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.A PM meter is also known [RF Patent No. 2075754 C1, G01B 21/06 of 03/20/1997], which could be used to measure PM both with sinusoidal and non-sinusoidal forms of voltage and current. However, the indicated PM meter does not allow to determine the nature of the effective load, since it does not provide information about the effective load inductive or capacitive. Hence, the well-known PM meter is not used in automatic control systems to compensate for reactive energy, for example, in exciters of synchronous machines.

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.Closest to the proposed invention in technical essence is a PM meter [RF Patent No. 2293340 C1, G01R 21/06 of 07/19/2005], which contains a voltage measuring transformer and a current measuring transformer, the outputs of which are connected to a multiplying device, and connected to the output of the latter inputs of a half-wave rectifier, a character-determining unit PM, the signal inputs of which are connected to the outputs of a half-wave rectifier, and the output of a character-determining unit PM is the output of a PM meter. The known meter allows you to determine the nature of the RM.

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.However, the construction of the known PM meter is relatively complicated. The character determination unit PM contains a group of switching keys. The presence of a group of keys complicates the overall process in the meter and, in addition, complicates the concept of ongoing processes in the RM meter for specialists.

Задача данного изобретения заключается в устранении указанного недостатка, т.е. в создании измерителя РМ с определением характера РМ с меньшим количеством переключающих ключей.The objective of the invention is to remedy this drawback, i.e. in creating a PM meter with determining the nature of the PM with fewer switching keys.

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.This goal is achieved by the fact that in the PM meter, which contains a voltage measuring transformer and a current measuring transformer, the outputs of which are connected to a multiplying device, and the inputs of a half-wave rectifier, a character-determining unit PM, whose signal inputs are connected to the outputs of a half-wave rectifier, are connected to the output of the latter, and the signal output of which is the output of the PM, phase-shifting device, an additional multiplying device is introduced into it, the inputs of which are connected one directly and the other via a phase shifter to the transformer voltage, and outputs to the control input determine the nature of the RM block.

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.In the embodiment of the PM meter, the PM character determination unit contains a signal inverter and a switching key connecting the input and output of the PM character determination unit, and the signal inverter and the switching key form another serial circuit connecting also the input and output of the PM character determination unit.

Такое выполнение измерителя РМ приводит к упрощению его конструкции, а также к упрощению понятия процессов, протекающих в измерителе, для специалистов.This embodiment of the RM meter leads to a simplification of its design, as well as to a simplification of the concept of processes occurring in the meter for specialists.

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.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a structural diagram of the proposed meter PM; figure 2 is an embodiment of a half-wave rectifier; figure 3 is a functional diagram of a block for determining the nature of the PM; figure 4 and figure 5 is a timing diagram of the meter PM for the case of inductive and capacitive loads.

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.The proposed PM meter comprises a voltage measuring transformer 1 and a current measuring transformer 2, the outputs of which are connected to the inputs of the multiplying device 3. As the multiplying device 3, a pulse multiplying device can be used in the proposed meter. The outputs of the multiplying device 3 are connected to the inputs of the half-wave rectifier 4. The signal inputs of the PM character determination unit 5 are connected to the outputs of the half-wave rectifier 4, and the signal outputs of the PM character determination block 5 are outputs of the PM. The PM meter also contains a phase-shifting device 6. An additional multiplying device 7 is introduced into the PM meter, the inputs of which are connected directly and the others through a phase-shifting device 6 to voltage transformer 1, and the outputs to the control input of the PM character determination unit 5.

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.The character characterization unit PM contains a signal inverter 10 and a switching key 11. The key 11 connects the input and output of the PM character determination unit 5, and the signal investor 10 and the same switching key 11 form another serial circuit connecting also the input and output of the PM character determination unit 5 . Block 5 character determination PM is a phase detector.

В качестве фазосдвигающего устройства может использоваться интегратор напряжения.As a phase shifting device, a voltage integrator can be used.

Однополупериодный выпрямитель 4 (см. фиг.2) может быть выполнен в виде компаратора 8 и управляющего ключа 9.A half-wave rectifier 4 (see Fig. 2) can be made in the form of a comparator 8 and a control key 9.

Работает измеритель РМ следующим образом.The PM meter works as follows.

Напряжение на нагрузке одновременно поступает на первичную обмотку измерительного трансформатора 1 напряжения. На выходной обмотке измерительного трансформатора 1 напряжения получается мгновенное напряжениеThe voltage at the load simultaneously enters the primary winding of the measuring voltage transformer 1. An instantaneous voltage is obtained at the output winding of the voltage measuring transformer 1

где к_и - коэффициент трансформации измерительного трансформатора 1 напряжения;where k _and is the transformation coefficient of the measuring voltage transformer 1;

u_н - мгновенное напряжение на нагрузке.u _n - instantaneous voltage at the load.

Ток нагрузки проходит через первичную обмотку измерительного трансформатора 2 тока и на его выходной обмотке получается мгновенное напряжениеThe load current passes through the primary winding of the measuring current transformer 2 and instantaneous voltage is obtained at its output winding

где к_i - коэффициент трансформации измерительного трансформатора 2 тока;where k _i is the transformation coefficient of the measuring current transformer 2;

i_н - мгновенный ток нагрузки;i _n - instantaneous load current;

R₂ - сопротивление нагрузки на выходе измерительного трансформатора 2 тока.R ₂ - load resistance at the output of the measuring current transformer 2.

Сигналы с измерительного трансформатора 1 напряжения и измерительного трансформатора 2 тока подаются на входы перемножающего устройства 3. Выходное напряжение u₃ (см. фиг.1) перемножающего устройства поступает на вход однопериодного выпрямителя 4, который представляет собой управляемый ключ, пропускающий одну из полярностей выходного напряжения u₃ (фиг.4 и фиг.5 - отрицательную полярность), т.е. пропускающий на время возврата запасенной энергии из нагрузки в сеть. Это происходит дважды за период.The signals from the voltage measuring transformer 1 and the current measuring transformer 2 are supplied to the inputs of the multiplying device 3. The output voltage u ₃ (see Fig. 1) of the multiplying device is supplied to the input of a single-period rectifier 4, which is a controlled key that passes one of the output voltage polarities u ₃ (Fig. 4 and Fig. 5 - negative polarity), i.e. passing for the time of the return of stored energy from the load to the network. This happens twice per period.

Напряжение u₃ 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 u₃. Компаратором 8 управляется ключ 9. В промежутках времени t₁-t₂ и t₃-t₄ (см. фиг.4 и фиг.5) ключ замкнут. В течение этих промежутков времени запасенная в нагрузке энергия возвращается в сеть. Мгновенное выходное напряжение u₄ однополупериодного выпрямителя 4 будет пропорционально мгновенной мощности, отдаваемой в нагрузку. Среднее значение выходного напряжения u₄ однополупериодного выпрямителя 4 дает информацию о текущем значении (величине) мощности, отдаваемой в нагрузку. Однако в выходном напряжении u₄ еще нет информации о характере РМ. Как при индуктивной, так и при емкостной нагрузке полярность напряжения u₄ остается неизменной.The voltage u _{3 is} amplified and limited by the comparator 8 of a half-wave rectifier 4 (see figure 2). Thus, at the output of the comparator 8, voltage pulses of a rectangular shape are obtained, the moments of change of polarity of which coincide with the moments of change of polarity of voltage u ₃ . The comparator 8 is controlled by the key 9. In the time intervals t ₁ -t ₂ and t ₃ -t ₄ (see figure 4 and figure 5), the key is closed. During these periods of time, the energy stored in the load returns to the network. The instantaneous output voltage u _{4 of a} half-wave rectifier 4 will be proportional to the instantaneous power delivered to the load. The average value of the output voltage u _{4 of a} half-wave rectifier 4 gives information about the current value (value) of the power supplied to the load. However, in the output voltage u ₄ there is still no information about the nature of the PM. With both inductive and capacitive loads, the voltage polarity u ₄ remains unchanged.

Напряжение u₁ 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 u₆ поступает на другой вход перемножающего устройства 7. Перемножением напряжений u₁ и напряжения u₆ получается напряжение u₇, частота которого в два раза выше частоты сети. Напряжение u₇ с выхода перемножающего устройства 7 управляет ключом 11. Напряжение u₅ 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 u₄ отрицательной полярности с выхода выпрямителя 4 проходит через инвертор 10, когда ключ 11 находится в низшем положении. При емкостной нагрузке (см. фиг.5) напряжение u₅ на выходе блока определения характера РМ будет иметь отрицательную полярность, так как напряжение u₄ 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 u₅ различной полярности, u₄ или (-u₄) в зависимости от характера нагрузки. После сглаживания импульса напряжения u₅ можно получить постоянное напряжение, значение которого пропорционально величине реактивной мощности, а по знаку соответствует характеру РМ.The voltage u ₁ from the output winding of the measuring transformer 1 is supplied to the phase shifting device 6 and simultaneously to one of the inputs of the additional multiplying device 7. From the output of the phase shifting device 6, the voltage u _{6 is} supplied to the other input of the multiplying device 7. By multiplying the voltages u ₁ and voltage u ₆ , voltage u ₇ , whose frequency is two times higher than the frequency of the network. The voltage u ₇ from the output of the multiplying device 7 controls the key 11. The voltage u ₅ from the output of the PM character determination unit and, therefore, at the inductance of the PM meter will have a positive polarity (see Fig. 4), since the voltage u _{4 is} negative the polarity from the output of the rectifier 4 passes through the inverter 10 when the key 11 is in the lowest position. With a capacitive load (see Fig. 5), the voltage u ₅ at the output of the PM character determination unit will have a negative polarity, since the voltage u ₄ from the output of the rectifier 4 passes to the output of the PM meter, bypassing the inverter 10, in the time interval when the switch 11 is in the upper position. From here, at the output of the character determination unit 5 of the PM, a voltage u _{5 of} different polarity, u ₄ or (-u ₄ ) is obtained depending on the nature of the load. After smoothing the voltage pulse u ₅ you can get a constant voltage, the value of which is proportional to the magnitude of the reactive power, and the sign corresponds to the nature of the PM.

Таким образом, предлагаемый измеритель РМ может быть использован в системах автоматического регулирования, в частности в возбудителе синхронных машин для компенсации РМ.Thus, the proposed PM meter can be used in automatic control systems, in particular in the exciter of synchronous machines to compensate for PM.

В связи с тем, что в предлагаемом измерителе сохраняется непосредственное перемножение мгновенных значений напряжения u_н(t) и тока i_н(t) в процессе возврата энергии в сеть, т.е. мгновенные значения сигналов u₁ и u₂ 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 u₇ задает всего лишь вышеупомянутые определенные интервалы времени относительно момента изменения полярности напряжения u₁.Due to the fact that the proposed meter maintains the direct multiplication of the instantaneous values of voltage u _n (t) and current i _n (t) in the process of returning energy to the network, i.e. Since the instantaneous values of the signals u ₁ and u ₂ do not undergo any additional transformations (for example, passing through a phase-shifting device), then, therefore, the measurement accuracy of the PM is preserved both under sinusoidal and non-sinusoidal energy consumption modes. The errors of the shifting device 6 and the multiplying device 7 do not affect the measurement accuracy of the PM, since the voltage u ₇ only sets the above-mentioned certain time intervals with respect to the moment the polarity of the voltage u ₁ changes.

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.Compared to the already known PM meter, the proposed PM meter contains fewer switching keys. As a result, its design is simplified, and its operation reliability is increased. Reducing the number of keys also leads to a simplification of the processes occurring in the RM meter, and to a simplification of the concepts of these ongoing processes in the RM meter for specialists.

Claims

1. Измеритель реактивной мощности (РМ), содержащий измерительный трансформатор напряжения и измерительный трансформатор тока, выходы которых подключены к перемножающему устройству, а к выходам последнего подключены входы однополупериодного выпрямителя, блок определения характера РМ, сигнальные входы которого подключены к выходам однополупериодного выпрямителя, сигнальный выход которого является выходом измерителя РМ, фазосдвигающее устройство, отличающийся тем, что 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.1. A reactive power meter (PM) containing a voltage measuring transformer and a current measuring transformer, the outputs of which are connected to a multiplying device, and the inputs of a half-wave rectifier, a character-determining unit PM, whose signal inputs are connected to the outputs of a half-wave rectifier, are connected to the outputs of the latter, signal output which is the output of the PM meter, a phase-shifting device, characterized in that an additional multiplying device is introduced into it, the inputs of which Some are directly connected, while others are connected through a phase-shifting device to a voltage transformer, and the outputs are connected to the control input of the PM character determination unit.

2. Измеритель РМ по п.1, отличающийся тем, что 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. 2. The PM meter according to claim 1, characterized in that the PM character determination unit comprises a signal inverter and a switching key connecting the input and output of the PM character determining unit, and the signal inverter and switching key form another serial circuit connecting also the input and output of the unit determining the nature of the RM.