RU2533746C2

RU2533746C2 - Digital power meter

Info

Publication number: RU2533746C2
Application number: RU2013108776/28A
Authority: RU
Inventors: Виктор Васильевич Юдин; Алесей Викторович Юдин; Алексей Васильевич Манин; Александр Валерьевич Голубкин
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-11-20
Also published as: RU2013108776A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is related to electric engineering and may be used in different devices of electric power systems. The digital power meter includes an electric receiver and a binary counter, which counting input is coupled to conjunctor output coupled to by its first input to the generator output controlled by voltage and the reset input is coupled to output of the synchronisation pulse generator coupled by its inputs to the input terminals of the mains. In order to reach technical result the current-to-voltage converter is introduced and coupled by input terminals between the second terminal of the mains and the second clamp of the electric receiver, the first comparator is coupled by its subtracting input to sawtooth voltage output of the generator and by its summing input to the output of the current-to-voltage converter and by output to the second input of the conjunctor, and the second and third comparators are coupled by its summing inputs respectively to the output of the current-to-voltage converter and to the first terminal of the mains and by its subtracting inputs to the second terminal of the mains and by its outputs to inputs of the logic equivalency circuit, which output is coupled to the third input of the conjunctor, as well there is an additional binary counter, the logic equivalency circuit and an additional conjunctor, which output is connected to the counting input of the additional binary counter, the first input is coupled to output of the first comparator, the second input is coupled to output of the generator controlled by voltage and the third input is coupled to the logic equivalency circuit, at that the reset input of the additional binary counter is coupled to output of the synchronising pulse generator.

EFFECT: reduction of measurement error in circuits with reactive power.

2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может найти применение в различных устройствах электропитания систем электроснабжения.The present invention relates to electrical engineering and may find application in various power devices of power supply systems.

Известен преобразователь переменного напряжения в цифровой код, содержащий соединенные каскадно аналого-цифровой преобразователь, индикатор нуля, первый двоичный счетчик, индикатор заполнения разрядов и второй двоичный счетчик, а также компаратор, ключ и управляемый генератор, соединенный входом с выходом первого двоичного счетчика, а выходом - с первым входом ключа, второй вход которого соединен с выходом компаратора, подключенного входом к выходу аналого-цифрового преобразователя [авторское свидетельство СССР №1769193, кл. G05F 1/44, G01R 19/25, 1992, бюл. №38].A known converter of AC voltage to a digital code containing cascaded analog-to-digital converter, a zero indicator, a first binary counter, a fill indicator and a second binary counter, as well as a comparator, a key and a controlled generator connected by an input to the output of the first binary counter and an output - with the first input of the key, the second input of which is connected to the output of the comparator, connected by the input to the output of the analog-to-digital converter [USSR copyright certificate No. 1769193, cl. G05F 1/44, G01R 19/25, 1992, bull. No. 38].

Недостатком такого измерителя является значительная длительность процесса измерения, обусловленная использованием принципа накопления информации вторым двоичным счетчиком за цикл измерения, который в 2ⁿ раз превышает полупериод сетевого напряжения, где n - количество разрядов первого двоичного счетчика.The disadvantage of such a meter is the significant length of the measurement process, due to the use of the principle of accumulation of information by the second binary counter per measurement cycle, which is 2 ⁿ times the half-period of the mains voltage, where n is the number of bits of the first binary counter.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является измеритель мощности, входящий в состав стабилизатора напряжения [авторское свидетельство СССР №1716496, кл. G05F 1/20, 28.02.1992, бюл. №8] и содержащий двоичный счетчик, счетный вход которого подключен к выходу конъюнктора, соединенного первым входом с выходом генератора, управляемого напряжением, а вход сброса - к выходу формирователя синхроимпульсов, соединенного своими входами с входными зажимами сети. При этом генератор, управляемый напряжением выполнен на основе перестраиваемого делителя напряжения, счетный вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход - с выходом дополнительного двоичного счетчика, вход которого через делитель частоты также подключен к выходу генератора тактовых импульсов.Of the known devices, the closest in technical essence is a power meter, which is part of the voltage stabilizer [USSR copyright certificate No. 1716496, class. G05F 1/20, 02/28/1992, bull. No. 8] and containing a binary counter, the counting input of which is connected to the output of the conjunctor connected by the first input to the output of the voltage-controlled generator, and the reset input to the output of the clock generator connected by its inputs to the input terminals of the network. In this case, the voltage-controlled generator is based on a tunable voltage divider, the counting input of which is connected to the output of the clock generator, and the output to the output of an additional binary counter, the input of which is also connected to the output of the clock generator via the frequency divider.

Недостатком такого измерителя является значительная погрешность измерения в цепях с реактивной мощностью. Это обусловлено тем, что вызванные реактивным характером нагрузки изменения направления тока в цепи, имеющие место в каждом периоде сети, не отслеживаются схемой.The disadvantage of this meter is a significant measurement error in circuits with reactive power. This is due to the fact that changes in the direction of the current in the circuit caused by the reactive nature of the load that occur in each period of the network are not monitored by the circuit.

Технический результат изобретения выражается в уменьшении погрешности измерения в цепях с реактивной мощностью.The technical result of the invention is expressed in reducing the measurement error in circuits with reactive power.

Технический результат достигается тем, что в известный измеритель мощности, входящий в состав стабилизатора напряжения, содержащий двоичный счетчик, счетный вход которого подключен к выходу конъюнктора, соединенного первым входом с выходом генератора, управляемого напряжением, а вход сброса - к выходу формирователя синхроимпульсов, соединенного своими входами с входными зажимами сети, введены преобразователь тока в напряжение, включенный входными зажимами между вторым зажимом сети и второй клеммой электроприемника, первый компаратор, соединенный вычитающим входом с выходом генератора пилообразного напряжения, суммирующим входом - с выходом преобразователя тока в напряжение, а выходом - со вторым входом конъюнктора, а также второй и третий компараторы, подключенные своими суммирующими входами соответственно к выходу преобразователя тока в напряжение и первому зажиму сети, вычитающими входами - ко второму зажиму сети, а выходами - к входам логической схемы равнозначности, выход которой соединен с третьим входом конъюнктора, а также - дополнительные двоичный счетчик, логическая схема неравнозначности и дополнительный конъюнктор, выход которого подсоединен к счетному входу дополнительного двоичного счетчика, первый вход - к выходу первого компаратора, второй вход - к выходу генератора, управляемого напряжением, а третий вход - к логической схеме неравнозначности, причем вход сброса дополнительного двоичного счетчика соединен с выходом формирователя синхроимпульсов.The technical result is achieved by the fact that in the known power meter, which is part of the voltage stabilizer, containing a binary counter, the counting input of which is connected to the output of the conjunctor connected by the first input to the output of the voltage-controlled generator, and the reset input to the output of the clock generator connected by its inputs with input terminals of the network, a current to voltage converter is introduced, connected by input terminals between the second terminal of the network and the second terminal of the power receiver, the first comparator connected by a subtracting input to the output of a sawtooth voltage generator, a summing input - with the output of the current-to-voltage converter, and an output - with the second input of the conjunctor, as well as the second and third comparators connected by their summing inputs to the output of the current-to-voltage converter and the first network terminal , subtracting inputs - to the second terminal of the network, and outputs - to the inputs of the equivalence logic circuit, the output of which is connected to the third input of the conjunctor, and also - additional binary counter, l an ambiguity logical circuit and an additional conjunctor whose output is connected to the counting input of the additional binary counter, the first input to the output of the first comparator, the second input to the output of the voltage-controlled generator, and the third input to the ambiguity logic circuit, and the reset input of the additional binary counter connected to the output of the driver of the clock.

Электрическая схема предложенного цифрового измерителя мощности изображена на фиг.1. На фиг.2 изображены диаграммы для одного периода сети, отображающие изменение во времени:The electrical circuit of the proposed digital power meter is shown in figure 1. Figure 2 shows diagrams for one network period, showing the change in time:

e(t) - входное напряжение сети,e (t) is the input voltage of the network,

i(t) - тока в сети,i (t) - current in the network,

s(t) - мгновенного значения мощности,s (t) is the instantaneous value of power,

v{t) - сигнала на выходе второго компаратора 9,v {t) - signal at the output of the second comparator 9,

w(t) - сигнала на выходе третьего компаратора 10,w (t) - signal at the output of the third comparator 10,

r(t) - сигнала на выходе логической схемы равнозначности 11,r (t) - signal at the output of the logic circuit equivalence 11,

n(t) - сигнала на выходе логической схемы неравнозначности 13,n (t) - signal at the output of the logic circuitry 13,

z(t) - сигнала на выходе формирователя синхроимпульсов 5,z (t) - signal at the output of the shaper of the clock 5,

g(t) - сигнала на выходе первого компаратора 7,g (t) - signal at the output of the first comparator 7,

f(t) - сигнала на выходе генератора, управляемого напряжением 4,f (t) - signal at the output of the generator controlled by voltage 4,

P(t) - количества импульсов, поступивших на двоичный счетчик 2,P (t) - the number of pulses received at the binary counter 2,

Q(t) - количества импульсов, поступивших на дополнительный двоичный счетчик 12.Q (t) is the number of pulses received at the additional binary counter 12.

На фиг.3 изображены диаграммы для части периода сети, отображающие изменение во времени:Figure 3 shows diagrams for part of the network period, showing the change in time:

e(t) - э.д.с. сети,e (t) - emf network

i(t) - тока в сети,i (t) - current in the network,

l(t) - генератора пилообразного напряжения 8,l (t) - sawtooth generator 8,

g(t)f(t) - логического произведения сигнала на выходе первого компаратора и сигнала на выходе генератора, управляемого напряжением.g (t) f (t) is the logical product of the signal at the output of the first comparator and the signal at the output of the voltage-controlled generator.

Цифровой измеритель мощности (фиг.1) содержит электроприемник 1, первый вход которого соединен с первым входным зажимом сети, двоичный счетчик 2, счетный вход которого подключен к выходу конъюнктора 3, соединенного первым входом с выходом генератора 4, управляемого напряжением, а вход сброса - к выходу формирователя синхроимпульсов 5, соединенного своими входами с входными зажимами сети, преобразователь тока в напряжение 6, включенный входными зажимами между вторым зажимом сети и второй клеммой электроприемника, первый компаратор 7, соединенный инверсным входом с выходом генератора пилообразного напряжения 8, прямым входом - с выходом преобразователя тока в напряжение 6, а выходом - со вторым входом конъюнктора 3, второй 9 и третий 10 компараторы, подключенные своими прямыми входами соответственно к выходу преобразователя 6 тока в напряжение и первому зажиму сети, инверсными входами - ко второму зажиму сети, а выходами - к входам логической схемы равнозначности 11, выход которой соединен с третьим входом конъюнктора 3, дополнительный двоичный счетчик 12, логическую схему неравнозначности 13 и дополнительный конъюнктор 14, выход которого подсоединен к счетному входу дополнительного двоичного счетчика 12, первый вход - к выходу первого компаратора, второй вход - к выходу генератора 4, управляемого напряжением, а третий вход - к логической схеме неравнозначности 13. Вход сброса дополнительного двоичного счетчика соединен с выходом формирователя синхроимпульсов 5.The digital power meter (figure 1) contains an electrical receiver 1, the first input of which is connected to the first input terminal of the network, a binary counter 2, the counting input of which is connected to the output of the conjunctor 3, connected by the first input to the output of the voltage-controlled generator 4, and the reset input - to the output of the shaper of the clock pulses 5, connected by its inputs to the input terminals of the network, the current-to-voltage converter 6, connected by the input terminals between the second terminal of the network and the second terminal of the power receiver, the first comparator 7, is connected the inverse input with the output of a sawtooth voltage generator 8, the direct input with the output of the current transformer into voltage 6, and the output with the second input of the conjunctor 3, the second 9 and third 10 comparators connected by their direct inputs to the output of the current to voltage converter 6 and the first terminal of the network, the inverse inputs to the second terminal of the network, and the outputs to the inputs of the logic circuit 11, the output of which is connected to the third input of the conjunctor 3, an additional binary counter 12, the logic circuit is not equivalent 13 and an additional connector 14, the output of which is connected to the counting input of the additional binary counter 12, the first input to the output of the first comparator, the second input to the output of the voltage controlled generator 4, and the third input to the ambiguity logic 13. Additional reset input binary counter connected to the output of the shaper of the clock 5.

Преобразователь тока в напряжение 6 может быть реализован на датчике Холла в интегральном исполнении, например ACS750. Счетчики 2 и 12 могут быть реализованы на микросхеме КР1554ИЕ10. Конъюнкторы 3 и 14 могут быть реализованы на основе микросхемы КР1554ЛИ1, а логическая схема равнозначности 11 на микросхеме КР555ЛП13. Для реализации логической схемы неравнозначности может быть использована микросхема КР1533ЛП5. Генератор пилообразного напряжения 8 может быть реализован на микросхеме ICL8038. Функции компараторов 7, 9 и 10 выполняет микросхема КР554СА3. Формирователь синхроимпульсов 5 также может быть реализован на микросхеме КР554СА3. Генератор, управляемый напряжением, может быть реализован на микросхеме К564ГГ1.The current to voltage converter 6 can be implemented on an integrated Hall sensor, for example, the ACS750. Counters 2 and 12 can be implemented on the chip KR1554IE10. Conjunctors 3 and 14 can be implemented on the basis of the KR1554LI1 chip, and the logic circuit of equivalence 11 on the KR555LP13 chip. For the implementation of the logic scheme of ambiguity can be used chip KR1533LP5. The sawtooth generator 8 can be implemented on the ICL8038 chip. The functions of comparators 7, 9 and 10 are performed by the KR554CA3 chip. Shaper pulses 5 can also be implemented on the chip KR554CA3. The voltage-controlled generator can be implemented on the K564GG1 chip.

Работа цифрового измерителя мощности происходит следующим образом. Из входного напряжения сети e(t) формирователем синхроимпульсов 5 формируются импульсы z(t), соответствующие моментам начала периода. Одновременно компараторами 9 и 10 формируются логические сигналы v(t) и w(t), соответствующие положительным полуволнам тока i(t) и напряжения сети e(t) (см. фиг.2), из которых логическими схемами равнозначности 11 и неравнозначности 13 формируются последовательность сигналов: r(t), соответствующая интервалам одинаковой полярности напряжения и тока, и n(t), соответствующая интервалам их противоположной полярности.The operation of the digital power meter is as follows. From the input voltage of the network e (t), the pulse generator 5 generates pulses z (t) corresponding to the moments of the beginning of the period. At the same time, comparators 9 and 10 form logical signals v (t) and w (t) corresponding to positive half-waves of current i (t) and network voltage e (t) (see Fig. 2), of which logic circuits of equivalence 11 and ambiguity 13 a sequence of signals is formed: r (t) corresponding to intervals of the same polarity of voltage and current, and n (t) corresponding to intervals of their opposite polarity.

Генератор, управляемый напряжением 4, осуществляет преобразование входного напряжения сети u(t), в последовательность импульсов f(t), частота следования которых пропорциональна уровню этого напряжения в текущий момент времени.A generator controlled by voltage 4 converts the input network voltage u (t) into a sequence of pulses f (t), the repetition rate of which is proportional to the level of this voltage at the current time.

Сигнал i(t) с выхода преобразователя 6 первым компаратором 7 сравнивается с сигналом l(t) генератора пилообразного напряжения 8, на выходе которого формируется последовательность импульсов g(t) с длительностью, пропорциональной уровню токаThe signal i (t) from the output of the converter 6 by the first comparator 7 is compared with the signal l (t) of the sawtooth voltage generator 8, at the output of which a pulse sequence g (t) is generated with a duration proportional to the current level

$τ_{k} = \frac{i (t_{k})}{i_{\max}} θ$

, k=1, 2, …, T/θ

τ_{k} = \frac{i (t_{k})}{i_{\max}} θ

, k = 1, 2, ..., T / θ

где i_max - амплитудное значение тока пилообразного напряжения, θ - его период.where i _max is the amplitude value of the sawtooth voltage current, θ is its period.

В соответствии с этим логические произведения g(t)f(t) поступающих на первые и вторые входы каждого из конъюнкторов 3 и 14 сигналов g(t) и f(t) содержат количество импульсов, пропорциональное произведению значений тока и напряжения в текущий момент времени, т.е. значению мгновенной мощности, а последовательности x(t)=g(t)f(t)r(t) и y(t)=g(t)f(t)n(t), формируемые этими конъюнкторами, содержат соответственно числа импульсов, пропорциональные активной и реактивной мгновенной мощности.In accordance with this, the logical products g (t) f (t) received at the first and second inputs of each of the conjunctors 3 and 14 of the signals g (t) and f (t) contain the number of pulses proportional to the product of the current and voltage values at the current time , i.e. value of instantaneous power, and the sequences x (t) = g (t) f (t) r (t) and y (t) = g (t) f (t) n (t) formed by these conjunctors contain, respectively, the number of pulses proportional to active and reactive instantaneous power.

Двоичные счетчики 3 и 12, обнуляемые в начале каждого полу периода, осуществляют суммирование импульсов в последовательностях x(t) и y(t). В результате в конце каждого периода сети счетчиками 3 и 12 будут сформированы коды P и Q, содержащие информацию о величинах активной и реактивной мощностей за этот период.Binary counters 3 and 12, reset at the beginning of each half of the period, carry out the summation of the pulses in the sequences x (t) and y (t). As a result, at the end of each network period, counters 3 and 12 will generate codes P and Q containing information on the values of active and reactive powers for this period.

Предложенный цифровой измеритель мощности в отличие от известного позволяет осуществить раздельное измерение активной и реактивной составляющих мощности, т.е. получить более полные сведения об энергетическом процессе в электрической цепи.The proposed digital power meter, in contrast to the known one, allows for separate measurement of the active and reactive components of power, i.e. Get more complete information about the energy process in the electrical circuit.

Claims

1. Цифровой измеритель мощности, содержащий электроприемник, первый вход которого соединен с первым входным зажимом сети, и двоичный счетчик, счетный вход которого подключен к выходу конъюнктора, соединенного первым входом с выходом генератора, управляемого напряжением, а вход сброса - к выходу формирователя синхроимпульсов, соединенного своими входами с входными зажимами сети, отличающийся тем, что в него введены преобразователь тока в напряжение, включенный входными зажимами между вторым зажимом сети и второй клеммой электроприемника, первый компаратор, соединенный инверсным входом с выходом генератора пилообразного напряжения, прямым входом - с выходом преобразователя тока в напряжение, а выходом - со вторым входом конъюнктора, а также второй и третий компараторы, подключенные своими прямыми входами соответственно к выходу преобразователя тока в напряжение и первому зажиму сети, инверсными входами - ко второму зажиму сети, а выходами - к входам логической схемы равнозначности, выход которой соединен с третьим входом конъюнктора.1. A digital power meter containing an electric receiver, the first input of which is connected to the first input terminal of the network, and a binary counter, the counting input of which is connected to the output of the conjunctor connected by the first input to the output of the voltage-controlled generator, and the reset input to the output of the clock generator, connected by its inputs to the input terminals of the network, characterized in that a current to voltage converter is inserted into it, connected by input terminals between the second terminal of the network and the second terminal of the power receiver , the first comparator connected by an inverse input to the output of the sawtooth generator, the direct input to the output of the current to voltage converter, and the output to the second input of the conjunctor, and the second and third comparators connected by their direct inputs to the output of the current to voltage converter and the first terminal of the network, inverse inputs to the second terminal of the network, and the outputs to the inputs of the logic circuit, the output of which is connected to the third input of the conjunctor.

2. Цифровой измеритель мощности по п.1, отличающийся тем, что в него введены дополнительные двоичный счетчик, логическая схема неравнозначности и конъюнктор, выход которого подсоединен к счетному входу дополнительного двоичного счетчика, первый вход - к выходу первого компаратора, второй вход - к выходу генератора, управляемого напряжением, а третий вход - к логической схеме неравнозначности, причем вход сброса дополнительного двоичного счетчика соединен с выходом формирователя синхроимпульсов. 2. The digital power meter according to claim 1, characterized in that an additional binary counter, an ambiguity logic circuit and a conjunctor are inserted into it, the output of which is connected to the counting input of the additional binary counter, the first input to the output of the first comparator, the second input to the output a voltage controlled oscillator, and the third input to an ambiguity logic circuit, the reset input of an additional binary counter being connected to the output of the clock generator.