RU143538U1 - DEVICE FOR ANALOGUE POWER COEFFICIENT SENSOR - Google Patents

DEVICE FOR ANALOGUE POWER COEFFICIENT SENSOR Download PDF

Info

Publication number
RU143538U1
RU143538U1 RU2013159060/07U RU2013159060U RU143538U1 RU 143538 U1 RU143538 U1 RU 143538U1 RU 2013159060/07 U RU2013159060/07 U RU 2013159060/07U RU 2013159060 U RU2013159060 U RU 2013159060U RU 143538 U1 RU143538 U1 RU 143538U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
voltage
supplied
current
phase
channel
Prior art date
Application number
RU2013159060/07U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вячеслав Семенович Осипов
Игорь Аркадьевич Шайдуров
Алексей Николаевич Татарников
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет"
Priority to RU2013159060/07U priority Critical patent/RU143538U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU143538U1 publication Critical patent/RU143538U1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Abstract

Устройство аналогового датчика коэффициента мощности, который содержит импульсно-фазовый, амплитудный преобразователь, трансформатор тока и трансформатор напряжения, отличающееся тем, что 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 подаётся на фильтр высоких частот, после которого напряжение одновременно подаётся на фазосдвигающее устройство и на компаратор, инвертирующий в канале тока, с фазосдвигающего устройства напряжение подаётся 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 подаётся на вход компаратора, не инвертирующего в канале напряжения, с которого разнополярные прямоугольные импульсы подаются на интегратор, напряжение треугольной формы с которого подаётся на два последовательно включенных фильтра низких частот в канале напряжения для получения эталонного синусоидального напряжения, затем напряжение поступает на фазовращатель, с которого это напряжение подаётся на прецизионный выпрямитель, с которого напряжение подаётся на коллектор импульсно-фазового, амплитудного преобразователя, выход которого подключён к фильтру постоянного �An analog device of a power factor sensor, which contains a pulse-phase, amplitude converter, current transformer and voltage transformer, characterized in that for any form of current from the load resistor of the intermediate current transformer, the voltage is supplied to two low-pass filters in series in the current channel to isolate the voltage the first harmonic, which is fed to the high-pass filter, after which the voltage is simultaneously applied to the phase-shifting device and to the compar a torus that inverts in the current channel from a phase shifter, the voltage is applied to a comparator that does not invert in the current channel, positive components of rectangular pulses are extracted from both comparators, which are normalized by logic elements and fed to the inputs of an exclusive OR, the output of which is connected to the inverter on the AND element NOT, from which short pulses are supplied to the base of the pulse-phase, amplitude converter, from the voltage transformer an alternating voltage is supplied to the input of the comparator, not voltage in the channel, from which rectangular polarity impulses are supplied to the integrator, the voltage of which is triangular in shape is applied to two low-pass filters in series in the voltage channel to obtain a reference sinusoidal voltage, then the voltage is supplied to the phase shifter, from which this voltage is supplied to the precision rectifier , from which voltage is supplied to the collector of a pulse-phase, amplitude converter, the output of which is connected to a constant filter

Description

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.The utility model relates to measuring equipment devices and can be used as a power factor sensor for automation and telemechanization of the parameters of the load node of the power supply system.

Коэффициент мощности является одной из основных энергетических характеристик потребителей электрической энергии.Power factor is one of the main energy characteristics of consumers of electric energy.

Датчик коэффициента мощности необходим также для более точного контроля и регулирования температуры индукционных нагревательных установок.A power factor sensor is also needed for more precise control and regulation of the temperature of induction heating plants.

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.In industry, and especially for driving centrifugal pumps in oil production, frequency-controlled electric drives are increasingly being used. Frequency converters are made with an intermediate DC link - these are either diode rectifiers or thyristor converters. The current phase of the primary winding of the power transformer is pulsed with pauses, rectangular unipolar in two-stroke and rectangular unipolar in single-cycle (three-phase zero) rectification schemes. This causes problems in measuring the power factor. To design the sensor, it is advisable to isolate the first harmonic from the current pulses. In addition to the accuracy of the signal value, the sensor is required to have high speed, linear output characteristics with an allowable ripple coefficient of the output voltage, which is achieved by maximizing the use of the useful signal in each half-wave of a sinusoid with a frequency of 100 Hz.

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.The source of the analogue (A.Yu. Balzamov, A.N. Polivtsev, Single-phase power factor meter. "Mordovian State University named after NP Ogarev. E-mail: mailto: balsamovau@mrsu.ru) describes the developed device, whose structural diagram is shown in Fig. one.

«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.“As a basis for constructing the measuring part of the device, it is convenient to use the specialized ADE7753 microcircuit from Analog Devices, a precision electric meter with two 16-bit ADCs with a sampling frequency of 894 kHz and a serial SPI interface that contains all signal processing circuits necessary for measuring the effective voltage and current values , period, active, reactive and apparent power, detecting zero crossing and peak voltage and current values. All received values are stored in the internal registers of the chip. The ADE7753 can work with various types of current sensors, including low resistance shunts and current transformers. In addition, the built-in digital integrator allows you to work with differentiating current sensors such as Rogowski inductors. This direct interface eliminates the need for an analog integrator, ensuring long-term parameter stability and accurate phase matching between voltage and current measurement channels. Depending on the type of current sensor used, the integrator can be connected or disconnected. Based on the data received from the measuring microcircuit, it is possible to calculate the power factor and analyze the energy processes occurring in the network.

Выпускается микросхема ADE7753 в 20-выводном SSOP-корпусе.The ADE7753 chip is available in a 20-pin SSOP package.

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.Atmel's popular AT90S2313 AVR microcontroller with 2KB of loading flash memory, 128 bytes of EEPROM and 15 general-purpose I / O lines was chosen as the control microcontroller responsible for all computing operations.

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.Another important node of the developed digital power factor meter is an indicator for displaying measurement results. The choice fell on the four-line alphanumeric liquid crystal module MT-20S4M of the Russian company MELT, consisting of an LSI control controller and an LCD panel.

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.Signals proportional to the values of voltage and current in the network are fed through current and voltage sensors to the inputs of the ADE7753 converter chip. After digitization, all further signal transformations, such as multiplication and filtering, occur with the signal in digital form. This approach provides very high stability and accuracy at extreme values of environmental parameters and for a long time.

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».The microcontroller reads the contents of the internal registers of the ADE7753 chip via the SPI interface and processes the received information to obtain the values of the seven main parameters of electricity. After the microcontroller has completed the processing of data received from the ADE7753 chip, the calculated values are displayed on the liquid crystal display. "

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.The disadvantages of the analogue are: the lack of analog output signals and the inability to use in automatic control systems, the lack of information about the accuracy of the measurement device in the case of rectangular unipolar current pulses in a single-cycle rectifier circuit.

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).The source of the prototype (Benin V.L. and Kizilov V.U. Static measuring transducers of electric power. M. "Energy", 1972.) shows the circuit, the principle of operation and analytical conclusions of power converters with sinusoidal reference voltage, using the properties of trigonometric functions ( pg. 47-53).

«На рис. 2а (сканированная копия) управление транзистором Т1 осуществляется разностью постоянного тока I2 и выпрямленного синусоидального тока , транзистор открыт в течение интервала времени, когда . Транзистор Т1 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 u1 и u3 синусоидальны и сдвинуты по фазе на угол γ».“In fig. 2a (scanned copy), the transistor T 1 is controlled by the difference between the direct current I 2 and the rectified sinusoidal current , the transistor is open during the time interval when . Transistor T 1 is a key element of an amplitude modulator powered by a rectified sinusoidal voltage , which is proportional to the current in the measured circuit. In fig. 2 (bd), the curves of the most characteristic voltages and currents in the multiplier-dividing device are shown, provided that the voltages u 1 and u 3 are sinusoidal and phase-shifted by an angle γ. ”

Далее приводится аналитическое доказательство, что среднее напряжение uH на резисторе rH (рис. 2d) пропорционально активной мощности в измеряемой цепи.The following is an analytical proof that the average voltage u H at the resistor r H (Fig. 2d) is proportional to the active power in the measured circuit.

На рис. 3 (сканированная копия) приведена принципиальная схема преобразователя на основе множительно-делительного устройства, изображенного на рис. 2.In fig. 3 (scanned copy) is a schematic diagram of a converter based on a multiplier dividing device shown in Fig. 2.

На схеме первичными датчиками являются трансформатор тока ТТ, нагрузкой которого является активное сопротивление rT, и трансформатор напряжения ТН, с первой вторичной обмотки которого напряжение выпрямляется выпрямителем В2 и фильтруется цепью r2, с2, с второй вторичной обмотки напряжение поступает на базы транзисторов Т2, Т3 для создания прямоугольных импульсов во вторичной обмотке трансформатора ТМ. Генератор прямоугольных импульсов питается напряжением U0 от стабилизатора напряжения CH. Переменное напряжение прямоугольной формы uM с вторичной обмотки ТМ преобразуется в синусоидальное опорное напряжение с помощью пассивного фильтра низких частот L1, L2, C1, которое сдвигается по фазе этим фильтром приближенно на 90°. точная настройка фазового сдвига на 90° производится цепью rφ, Сφ, Ζφ.In the diagram, the primary sensors are a CT current transformer, the load of which is the active resistance r T , and a VT voltage transformer, from the first secondary winding of which the voltage is rectified by a rectifier V 2 and filtered by a circuit r 2 , c 2 , from the second secondary winding the voltage is supplied to the base of transistors T 2 , T 3 to create rectangular pulses in the secondary winding of the TM transformer. The square-wave generator is powered by voltage U 0 from the voltage regulator CH. The rectangular voltage u M from the secondary winding of the TM is converted into a sinusoidal reference voltage using a passive low-pass filter L 1 , L 2 , C 1 , which is phase shifted by this filter by approximately 90 °. Fine adjustment of the phase shift by 90 ° is carried out by the circuit r φ , С φ , Ζ φ .

Недостатками прототипа являются: невозможность измерения в электрических цепях с формой тока отличающейся от синусоидальной, сложность технической реализации пассивного фильтра низких частот L1, L2, C1, особенно при изготовлении индуктивностей, с помощью одного каскада фильтра маловероятно получить эталонное синусоидальное напряжение.The disadvantages of the prototype are: the impossibility of measuring in electrical circuits with a current shape different from the sinusoidal one, the complexity of the technical implementation of a passive low-pass filter L 1 , L 2 , C 1 , especially in the manufacture of inductors, it is unlikely to obtain a reference sinusoidal voltage with one filter cascade.

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.The analysis shows that in the device (Fig. 3) there is no amplitude modulation, and there is also no multiplication and division. By multiplication is meant, if you increase the voltage, for example, twice, the current strength also doubles, and the power increases four times, respectively, the duration and amplitude of the pulses increase twice, and the output voltage quadruples - this is impossible called multiplication.

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.Despite the fact that the prototype is an active power sensor, it can be adopted as a prototype, since the proposed utility model uses a pulse-phase, amplitude converter using the properties of trigonometric functions.

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.The analysis of the device also shows that by changing the preliminary phase shift by 90 °, you can get a reactive power sensor, and also, under certain conditions, you can get a power factor sensor, so this device is adopted as a prototype.

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.The technical result is the creation of an analog power factor sensor device with an analog output and the ability to connect a measuring device, the output voltage at cosφ = 1 is at least 5.0 V, high speed (time constant 0.03 s), the ability to measure in electrical circuits of industrial frequency at any form of current, alarm when ahead of the phase shift of the current relative to the voltage.

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.The technical result is achieved by the fact that in the device of the analog power factor sensor, which contains a pulse-phase, amplitude converter, current transformer and voltage transformer, for any form of current, voltage is supplied from the load resistor of the intermediate current transformer to two low-pass filters in series in the channel current to isolate the voltage of the first harmonic, which is fed to the high-pass filter, after which the voltage is simultaneously applied to the phase-shifting the device and the comparator inverting in the current channel, from the phase shifting device, the voltage is supplied to the comparator not inverting in the current channel, the positive components of the rectangular pulses are allocated from both comparators, which are normalized by logic elements and fed to the inputs of the exclusive OR, the output of which is connected to the inverter on the AND element -NOT, from which short pulses are supplied to the base of a pulse-phase, amplitude converter, an alternating voltage is supplied from a voltage transformer to the input of the comparator does not invert voltage in the channel, from which rectangular polarity pulses are supplied to the integrator, the voltage of which is triangular in shape from which it is supplied to two low-pass filters in series in the voltage channel to obtain a reference sinusoidal voltage, then the voltage is supplied to the phase shifter, from which this voltage is supplied to a precision rectifier, from which voltage is supplied to the collector of a pulse-phase, amplitude converter, the output of which is connected n to a DC filter with an inverting amplifier, then after inverting to the output terminal for connecting the measuring device, in addition, signals from the current and voltage channels are fed to the input of the alarm device.

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.In the device of the analog sensor of the power factor for any form of current, the first harmonic component is extracted, which serves to produce short pulses of stable duration with the possibility of phase shift when the current phase changes, a reference sinusoidal voltage is generated, which after the rectifier is used as a trigonometric function to determine the power factor , a possible useful signal is used after an exclusive OR with a frequency of 100 Hz.

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.For this purpose, preliminary experimental studies of the devices for extracting the first harmonic of the current have been conducted. Butterworth low-pass filters with zero bias, bandpass filters with multi-loop feedback and with real poles are investigated. All combinations of their sequential inclusion and variation of the main Q-factors and damping coefficients were also studied. As a result, it was found that the best performance can be obtained with two Butterworth filters in series. However, in this case, increased demands are made on the accuracy of the circuit parameters, otherwise the resulting phase shift between the input and output signals, after inversion, will not be zero. Similar characteristics are obtained with two filters in series with zero offset and damping coefficient ξ = 0.707. Despite the increase in the number of circuit elements, it is advisable to use filters with zero bias, which allows using a variable resistor, with a slight change in the damping coefficient ± 5.0%, to establish after inversion a zero phase shift between the input reference sine wave from the sine wave generator (GSS) and the output of the filters in the current channel at a frequency of 50.0 Hz.

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.Experimental studies were also conducted to identify the phase shift of the first harmonic at the output of the filters relative to the rectangular pulses at the input, obtained from the reference sinusoid from the GSS. In fig. Figure 4 shows the reference sine wave and rectangular pulses unipolar and bipolar (dashed) obtained using the comparator, which were fed to the input of the filters. In fig. Figure 5 shows the oscillograms of the variable component of the sinusoid at the output of the filters and the rectangular pulses at the input, from which it can be seen that the selected first harmonic has the same phase shift as with the reference sinusoid at the input.

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.The block diagram of the device of the analog sensor of the power factor is shown in Fig. 6, a schematic diagram in which the elements are dotted and marked in accordance with the structural diagram is shown in Fig. 7.

Элементы схем:Circuit Elements:

1 - промежуточный трансформатор тока;1 - intermediate current transformer;

2 - первый фильтр низких частот в канале тока;2 - the first low-pass filter in the current channel;

3 - второй фильтр низких частот в канале тока;3 - the second low-pass filter in the current channel;

4 - фильтр высоких частот;4 - high-pass filter;

5 - фазосдвигающее устройство;5 - phase shifting device;

6 - компаратор инвертирующий в канале тока;6 - a comparator inverting in the current channel;

7 - компаратор не инвертирующий в канале тока;7 - the comparator is not inverting in the current channel;

8 - исключающее ИЛИ;8 - exclusive OR;

9 - инвертор на элементе И - НЕ;9 - inverter on the element AND - NOT;

10 - импульсно-фазовый, амплитудный преобразователь;10 - pulse-phase, amplitude converter;

11 - трансформатор напряжения;11 - voltage transformer;

12 - компаратор не инвертирующий в канале напряжения;12 - the comparator is not inverting in the voltage channel;

13 - интегратор;13 - integrator;

14 - первый фильтр низких частот в канале напряжения;14 - the first low-pass filter in the voltage channel;

15 - второй фильтр низких частот в канале напряжения;15 - the second low-pass filter in the voltage channel;

16 - фазовращатель;16 - phase shifter;

17 - прецизионный выпрямитель;17 - precision rectifier;

18 - фильтр постоянного тока с инвертирующим усилителем;18 - DC filter with an inverting amplifier;

19 - выходная клемма для подключения прибора измерения;19 - output terminal for connecting the measuring device;

20 - устройство сигнализации.20 is a signaling device.

Краткие характеристики элементов схем:Brief characteristics of circuit elements:

промежуточный трансформатор тока, включается на нагрузочный резистор, на котором напряжение пропорциональное току измеряемой цепи;an intermediate current transformer is connected to a load resistor, on which the voltage is proportional to the current of the measured circuit;

фильтры низких, активные на операционных усилителях, второго порядка, с нулевым смещением и с повторителем на выходе, имеют регулировочный резистор фазы;low filters, active on operational amplifiers, second order, with zero bias and with a follower at the output, have an adjustable phase resistor;

фильтр высоких частот первого порядка, пропускающий без ослабления частоту 50,0 Гц. и не пропускающий постоянную составляющую тока;high-pass filter of the first order, passing without attenuation the frequency of 50.0 Hz. and not passing a constant component of current;

фазосдвигающее устройство на (8-10)° с инвертированием синусоиды на выходе; для нормализации фронтов импульсов после компараторов установлены логические элементы И - НЕ;phase shifting device at (8-10) ° with inverting the sine wave at the output; to normalize the fronts of the pulses after the comparators installed logical elements AND - NOT;

трансформатор напряжения с выходом 6,0 В;voltage transformer with 6.0 V output;

интегратор на операционном усилителе для получения разнополярного напряжения треугольной формы;an integrator on an operational amplifier to obtain a multi-polar voltage of a triangular shape;

фазовращатель для настройки соответствия фаз тока и напряжения; прецизионный выпрямитель с положительным напряжением на выхоле;phase shifter for adjusting the correspondence of the phases of current and voltage; precision rectifier with positive output voltage;

устройство сигнализации отставания или опережения тока от напряжения по фазе.signal device for lagging or leading the current from voltage in phase.

В канале тока первичным датчиком является промежуточный трансформатор тока 1, вторичная обмотка которого включена на нагрузочное сопротивление. Напряжение с этого сопротивления U1, 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 U2. Полученный сигнал поступает на фильтр высоких частот 4, который пропускает только переменную составляющую U3. Полученная первая гармоническая составляющая подается одновременно на два канала. В первом канале переменный сигнал U4 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 U3 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 U5, U6. Импульсы с элементов И - НЕ поступают на входы исключающего ИЛИ 8, на выходе которого U7 короткие импульсы (8-10)°, которые затем инвертируются U8 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.In the current channel, the primary sensor is an intermediate current transformer 1, the secondary winding of which is connected to the load resistance. The voltage from this resistance U 1 , proportional to the current, is applied to the input of two series-connected low-pass filters in the second-order current channel 2.3 with zero bias, the output of which is the first harmonic with a constant component U 2 . The resulting signal is fed to a high-pass filter 4, which passes only the variable component U 3 . The obtained first harmonic component is supplied simultaneously to two channels. In the first channel, the alternating signal U 4 is phase shifted by the phase shifting device 5 by (8-10) °, from which it is fed to the input of the comparator inverting current 6 in the channel to convert the sinusoid to rectangular pulses. In the second channel, an alternating signal U 3 is supplied to the comparator which does not invert current 7 in the channel without phase shift, also to obtain rectangular pulses. Positive pulses are emitted from the outputs of both comparators by diodes, which are normalized by AND elements - NOT U 5 , U 6 . The pulses from the AND - elements do NOT arrive at the inputs of the exclusive OR 8, at the output of which U 7 short pulses (8-10) °, which are then inverted to U 8 by the AND - NOT 9 element, from which they are sent to the base of the transistor pulse-phase, amplitude converter 10. Voltage diagrams are shown in Fig. 8 indicating the stresses at the test points.

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 U9 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 U10 может быть подключена выходная клемма для подключения прибора измерения 19.The primary sensor in the voltage channel is a voltage transformer 11, the alternating voltage from which is converted into rectangular bipolar pulses by a comparator not inverting in the voltage channel 12. From the comparator, the pulses are fed to the input of the integrator 13, the output of which will be a triangular voltage that is better and more accurately converted to a reference sinusoidal voltage using two series-connected low-pass filters in the voltage channel 14, 15. The resulting sinusoidal voltage supplies I at the input of the phase shifter 16 with which the phase can be changed over a wide range variable resistor. Then, the reference voltage is supplied to the input of a precision rectifier 17, from which the voltage in the form of positive half-waves U 9 is supplied to the collector of a pulse-phase transistor, amplitude converter 10. From the output of which pulses are fed to a DC filter with an inverting amplifier 18, to the output of which U 10 an output terminal can be connected for connecting the measuring instrument 19.

На рис 9 показаны временные диаграммы импульсов измерения коэффициента мощности с указанием напряжений в контрольных точках.Figure 9 shows the time diagrams of the pulses of the power factor measurement with the indication of the voltages at the control points.

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.The thus obtained reference voltage in the form of positive half-waves of a sinusoidal shape is used as a trigonometric function from which in the form of short pulses a signal is obtained proportional to the cosine of the angle of shift between voltage and current or power factor.

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.The rectangular signal from the current measuring channel and the sinusoidal signal from the voltage measuring channel are supplied to the signaling device 20, which gives information about the lag or leading in phase of the current from the voltage. The LED lights when the current lags behind the voltage and does not light when the current is ahead of the voltage.

ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМЫSCHEME ELEMENTS

Фильтр низких частотLow pass filter

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.As a low-pass filter, a zero-bias circuit is used (Fig. 10), which has the simplest element settings. The large output impedance R1 is eliminated by the follower DA2.

Передаточная функцияTransmission function

, ,

где - частота сопряжения,Where - pairing frequency,

2εТ=(С1+C2)R1,2εТ = (С 1 + C 2 ) R 1 ,

- коэффициент демпфирования, 2 JRXR2C^C2 - damping coefficient, 2 JRXR2C ^ C2

- добротность. - quality factor.

, ω0=2πf=2π·50=314c-1. , ω 0 = 2πf = 2π50 = 314c -1 .

Задаемся C2>C1 и обозначим , С2=kC1 We define C 2 > C 1 and denote , C 2 = kC 1

Получим формулы расчета при заданном ε=0,707. Вначале рассчитываетсяWe obtain the calculation formulas for a given ε = 0.707. Initially calculated

, а затем , and then

ФазовращательPhase shifter

Фазовращатель (рис. 11) с коэффициентом усиления на любых частотах, при R2=R3 равным 1,0.Phase shifter (Fig. 11) with a gain at any frequency, with R 2 = R 3 equal to 1.0.

Передаточная функциямиGear functions

Уравнение фазовой характеристикиPhase Equation Equation

φ(ω)=180-2arctg(ωR1C)φ (ω) = 180-2arctg (ωR 1 C)

Задаваясь С=0,22 мкФ, величинами R2=R3=10,0 кОм, для фазового сдвига φ=90°, при ω=ω0, рассчитывается среднее значение R1, затем для расширения диапазона регулирования фазы принимается 2R1.Given C = 0.22 μF, values of R2 = R3 = 10.0 kOhm, for the phase shift φ = 90 °, at ω = ω 0 , the average value of R 1 is calculated, then 2R 1 is taken to expand the range of phase control.

Фильтр высоких частотHigh pass filter

Фильтр высоких частот рис. 12 предназначен для выделения переменной составляющей входного сигнала.High-pass filter fig. 12 is intended to isolate the variable component of the input signal.

Передаточная функцияTransmission function

, ,

Необходимо выполнить условиеIt is necessary to fulfill the condition

, ,

чтобы сигнал при рабочей частоте f=50,0 Гц не уменьшался по амплитудеso that the signal at the operating frequency f = 50.0 Hz does not decrease in amplitude

Задаваясь, например, С=1·10-6, получимGiven, for example, C = 1 · 10 -6 , we obtain

. .

Фазосдвигающий элемент (рис. 13)Phase shifting element (Fig. 13)

Передаточная функцияTransmission function

, ,

Сдвиг по фазеPhase shift

задаваясь φ=-10°, при ω0=314 с-1, и задаваясь С=0,1·10-6 ф, вычисляетсяsetting φ = -10 °, at ω 0 = 314 s -1 , and setting C = 0.1 · 10 -6 f, it is calculated

, ,

и принимается 1,5 R2 для регулирования φ.and 1.5 R 2 is taken to control 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».Comparison of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field did not allow us to identify signs that match the claimed solution, which allows us to conclude that the utility model has an inventive step. The invention is industrially applicable, it can be used as a sensor for power factor control systems and telemechanization of power supply systems, when measuring temperature in induction plants and in electrical measuring equipment. Thus, the claimed device meets the criteria of the utility model of "novelty."

Список документов, цитированных в отчете о поискеList of documents cited in the search report

Поиск производился в поисковой системе http://www.fips.ru в областях запроса «УСТРОЙСТВЕ АНАЛОГОВОГО ДАТЧИКА КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ» и «УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ».The search was performed in the search engine http://www.fips.ru in the query areas "DEVICE FOR ANALOGUE POWER OUTPUT SENSOR" and "DEVICE FOR POWER OUTPUT MEASUREMENT".

Всего просмотрено более 10 рефератов, а также материалы открытой печати и материалы в интернете. Из них проанализированы, наиболее пригодные по тематике, следующие работы:In total, more than 10 abstracts were viewed, as well as open press materials and materials on the Internet. Of these, the most suitable topics were analyzed, the following works:

1. А.Ю. Бальзамов, А.Н. Поливцев, Однофазный измеритель коэффициента мощности. «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева». Е-mail: mailto:balsamovau@mrsu.ru1. A.Yu. Balzamov A.N. Polivtsev, Single-phase power factor meter. "Mordovian State University named after N.P. Ogareva. " E-mail: mailto: balsamovau@mrsu.ru

2. Бенин В.Л. и Кизилов В.У. Статические измерительные преобразователи электрической мощности. М. «Энергия», 19722. Benin V.L. and Kizilov V.U. Static measuring transducers of electric power. M. "Energy", 1972

Анализ устройств в приведенных источникахAnalysis of devices in the given sources

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.In [1], a digital measuring device is described, the absence of analog output signals does not allow its use in automatic control systems, and the device does not provide the possibility of operation when measuring when the current is in the form of rectangular unipolar pulses in a single-cycle rectifier circuit.

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.An active power sensor is given in [2], with the key words: “time is a medium-power pulse converter”, “a transistor is a key element of an amplitude modulator”, “a multiplier-divider device using the properties of trigonometric functions”, which can only work in circuits with sinusoidal forms of current and voltage. Despite the fact that it is an active power sensor, the device can be adopted as a prototype, since in the proposed utility model, as a method, a pulse-phase, amplitude converter using the properties of trigonometric functions is used.

Claims (1)

Устройство аналогового датчика коэффициента мощности, который содержит импульсно-фазовый, амплитудный преобразователь, трансформатор тока и трансформатор напряжения, отличающееся тем, что 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 подаётся на фильтр высоких частот, после которого напряжение одновременно подаётся на фазосдвигающее устройство и на компаратор, инвертирующий в канале тока, с фазосдвигающего устройства напряжение подаётся 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 подаётся на вход компаратора, не инвертирующего в канале напряжения, с которого разнополярные прямоугольные импульсы подаются на интегратор, напряжение треугольной формы с которого подаётся на два последовательно включенных фильтра низких частот в канале напряжения для получения эталонного синусоидального напряжения, затем напряжение поступает на фазовращатель, с которого это напряжение подаётся на прецизионный выпрямитель, с которого напряжение подаётся на коллектор импульсно-фазового, амплитудного преобразователя, выход которого подключён 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.
Figure 00000001
A device for an analogue power factor sensor, which contains a pulse-phase, amplitude converter, current transformer and voltage transformer, characterized in that for any form of current from the load resistor of the intermediate current transformer, the voltage is supplied to two low-pass filters in series in the current channel to isolate the voltage the first harmonic, which is fed to the high-pass filter, after which the voltage is simultaneously applied to the phase-shifting device and to the compar a torus that inverts in the current channel from a phase shifter, the voltage is applied to a comparator that does not invert in the current channel, positive components of rectangular pulses are extracted from both comparators, which are normalized by logic elements and fed to the inputs of an exclusive OR, the output of which is connected to the inverter on the AND element NOT, from which short pulses are supplied to the base of a pulse-phase, amplitude converter, from a voltage transformer an alternating voltage is supplied to the input of the comparator, not voltage in the channel, from which rectangular polarity impulses are supplied to the integrator, the voltage of which is triangular in shape is applied to two low-pass filters in series in the voltage channel to obtain a reference sinusoidal voltage, then the voltage is supplied to the phase shifter, from which this voltage is supplied to the precision rectifier , from which voltage is supplied to the collector of a pulse-phase, amplitude converter, the output of which is connected to a constant filter eye with an inverting amplifier, then after inversion to the output terminal for connecting the measuring apparatus, furthermore, the signals from the current and voltage are input to the signaling device.
Figure 00000001
RU2013159060/07U 2013-12-30 2013-12-30 DEVICE FOR ANALOGUE POWER COEFFICIENT SENSOR RU143538U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013159060/07U RU143538U1 (en) 2013-12-30 2013-12-30 DEVICE FOR ANALOGUE POWER COEFFICIENT SENSOR

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013159060/07U RU143538U1 (en) 2013-12-30 2013-12-30 DEVICE FOR ANALOGUE POWER COEFFICIENT SENSOR

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU143538U1 true RU143538U1 (en) 2014-07-27

Family

ID=51264842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013159060/07U RU143538U1 (en) 2013-12-30 2013-12-30 DEVICE FOR ANALOGUE POWER COEFFICIENT SENSOR

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU143538U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2673335C2 (en) * 2017-02-20 2018-11-26 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" Device of the analog sensor of the reactive component of the alternating current

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2673335C2 (en) * 2017-02-20 2018-11-26 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" Device of the analog sensor of the reactive component of the alternating current

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103091659B (en) Electric energy meter dynamic measurement cycle power sequence proportional allocation calibration method
CN102175921A (en) Portable impedance measurement instrument based on FPGA (field programmable gate array)
CN102495250A (en) Quasi-synchronous wideband reactive energy meter based on Hilbert algorithm and sampling method thereof
RU143538U1 (en) DEVICE FOR ANALOGUE POWER COEFFICIENT SENSOR
RU168459U1 (en) AC VOLTAGE TRANSMITTER
RU167707U1 (en) HARMONIC FREQUENCY METER
RU195861U1 (en) AC / DC TRANSMITTER
RU196044U1 (en) 90 DEGREES PHASE SHIFT DEVICE
CN104111380A (en) Inductance measurement method and measurement device
RU2673335C2 (en) Device of the analog sensor of the reactive component of the alternating current
RU214462U1 (en) POWER FACTOR METER
RU2520409C2 (en) Converter for converting periodic signal to frequency and period
RU163765U1 (en) AC VOLTAGE TRANSMITTER
RU2644612C1 (en) Measuring transducer of variable voltage into constant one
RU163965U1 (en) DEVICE FOR MEASURING THE ACTUAL VALUE OF VARIABLE VOLTAGE
RU163230U1 (en) AC VOLTAGE TRANSMITTER
RU168701U1 (en) HARMONIC FREQUENCY METER
RU196115U1 (en) HARMONIC FREQUENCY METER
CN109884388B (en) Half-cycle phase-shifting method-based power grid frequency metering and measuring device and method
RU225928U1 (en) MEASURING CONVERTER AC TO DC
RU215007U1 (en) ACTIVE POWER TO DC VOLTAGE CONVERTER
RU222789U1 (en) HARMONIC SIGNAL FREQUENCY METER
RU212580U1 (en) HARMONIC FREQUENCY METER
RU163966U1 (en) AC VOLTAGE TRANSMITTER
RU196223U1 (en) HARMONIC FREQUENCY METER

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20140825