RU2296338C1

RU2296338C1 - Method of measurement of active power of load in ac electric circuits

Info

Publication number: RU2296338C1
Application number: RU2005133352/28A
Authority: RU
Inventors: Николай Михайлович Алейников (RU); Николай Михайлович Алейников; Алексей Николаевич Алейников (RU); Алексей Николаевич Алейников
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-03-27

Abstract

FIELD: electrical measuring.

SUBSTANCE: method intends for measurement of active power extracted at load of ac electric circuit. Method is based onto transformation of instant power consumed by load into variable electric voltage to be proportional to the power. Pulsing voltages with different polarities are extracted from formed electric voltage. When smoothing pulsations in both voltages, the voltages are transformed into permanent heteropolar voltages being equal in value to peak values of pulsing voltages. Constant homopolar voltages are subject to summing and result of summation is measured by dc voltmeter, graduated in power units.

EFFECT: simplified procedure of measurement of active power due to reduction in number of realizing procedures; high precision of measurement.

2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехническим измерениям, предназначен для измерения активной мощности, выделяемой на нагрузке электрической сети переменного тока, и может быть использован, например, для контроля потребляемой электрической энергии.The invention relates to electrical measurements, is intended to measure the active power allocated to the load of an electrical AC network, and can be used, for example, to control the consumed electrical energy.

Мгновенная мощность, выделяемая на нагрузке электрической цепи переменного тока синусоидальной формы в момент времени t, определяется какThe instantaneous power allocated to the load of an electric circuit of an alternating current of a sinusoidal shape at time t is defined as

где U(t) и I(t) - мгновенные значения напряжения и тока в момент времени t, U_m и I_m - амплитудные значения напряжения и тока, ω - циклическая частота изменения напряжения и тока, φ - сдвиг фаз между током и напряжением.where U (t) and I (t) are the instantaneous values of voltage and current at time t, U _m and I _m are the amplitude values of voltage and current, ω is the cyclic frequency of voltage and current, φ is the phase shift between current and voltage .

Активная мощность P_A переменного синусоидального тока определяется как средняя мощность за время одного периода T_U изменения напряжения сетиThe active power P _{A of an} alternating sinusoidal current is defined as the average power during one period T _{U of} the mains voltage change

В описании патента RU 2229723, МПК G 01 R 21/06, 2004, который является наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу, утверждается, что все известные способы измерения активной мощности, по сути, являются аппроксимациями и интерпретациями формулы (2). Недостаток этих способов определяется необходимостью выполнения вычислительных процедур, таких как преобразование произведения тока на напряжение в электрический сигнал, интегрирование сигнала, деление результата интегрирования на интервал интегрирования, а также точностью в определении интервала интегрирования. В патенте RU 2229723 практически также реализуется формула (2), т.е. осуществляется преобразование произведения напряжения на ток в электрический сигнал, преобразованный сигнал интегрируется, и результат интегрирования делится на интервал интегрирования.In the description of patent RU 2229723, IPC G 01 R 21/06, 2004, which is the closest in technical essence to the claimed method, it is stated that all known methods of measuring active power are, in fact, approximations and interpretations of formula (2). The disadvantage of these methods is determined by the need to perform computational procedures, such as converting the product of current by voltage into an electrical signal, integrating the signal, dividing the result of integration by the integration interval, and accuracy in determining the integration interval. In patent RU 2229723, formula (2) is also practically implemented, i.e. the product of the voltage by the current is converted into an electrical signal, the converted signal is integrated, and the integration result is divided into the integration interval.

Технический результат - упрощение измерения активной мощности сокращением числа реализующих устройств и процедур при сохранении достаточно высокой точности измерения. Достигается это тем, что в способе измерения активной мощности нагрузки в электрических цепях переменного тока, основанном на формировании переменного электрического напряжения, пропорционального произведению напряжения на ток нагрузки, согласно предлагаемому изобретению, из сформированного электрического напряжения выделяют пульсирующие напряжения различных полярностей, сглаживая пульсации обоих напряжений, преобразуют их в постоянные разнополярные напряжения, равные по величине пиковым значениям пульсирующих напряжений, суммируют постоянные разнополярные напряжения и результат суммирования измеряют вольтметром постоянного тока, прокалиброванным в единицах мощности.EFFECT: simplified measurement of active power by reducing the number of implementing devices and procedures while maintaining a sufficiently high measurement accuracy. This is achieved by the fact that in the method of measuring the active load power in AC electric circuits, based on the formation of an alternating electric voltage proportional to the product of the voltage by the load current, according to the invention, pulsating voltages of different polarities are isolated from the generated electric voltage, smoothing out the pulsations of both voltages, convert them into constant bipolar voltages equal in magnitude to the peak values of the ripple voltages, sums ruyut bipolar constant voltage and summing the result measured with a DC voltmeter, calibrated in power units.

Рассмотрим сущность заявленного способа. Мгновенную мощность P_t, определяемую формулой (1), учитывая, что sin(ωt+φ)sinωt=cosφ-cos(2ωt+φ), можно представить суммой двух составляющихConsider the essence of the claimed method. The instantaneous power P _t defined by formula (1), given that sin (ωt + φ) sinωt = cosφ-cos (2ωt + φ), can be represented by the sum of two components

Первая составляющая

- представляет активную мощность, сохраняющую постоянное значение в пределах по крайней мере нескольких периодов Т_U изменения напряжения сети.First component

- represents an active power that maintains a constant value within at least several periods T _{U of} the mains voltage change.

Вторая составляющая

представляет знакопеременную величину, совершающую гармонические колебания с частотой 2ω. Интеграл от этой составляющей будет равен нулю, как интеграл от гармонической функции за время одного периода. На фиг.1 показаны графики зависимостей от времени - напряжения (кривая 1), тока (кривая 2) и мгновенной мощности (кривая 3) - для случая, когда ток опережает по фазе напряжение примерно на 30°. Период колебаний мощности T_p вдвое меньше периода колебаний напряжения сети T_U. Подставляя (3) в (2), получимSecond component

represents an alternating quantity performing harmonic oscillations with a frequency of 2ω. The integral of this component will be equal to zero, as the integral of a harmonic function during one period. Figure 1 shows graphs of the dependences on time - voltage (curve 1), current (curve 2) and instantaneous power (curve 3) - for the case when the current is ahead of the phase voltage by about 30 °. The period of power fluctuations T _{p is} half the period of voltage fluctuations of the network T _U. Substituting (3) in (2), we obtain

Из (3) следует, что для определения активной мощности, т.е. для получения результата (4), необязательно выбирать интервал интегрирования, интегрировать мгновенную мощность и делить результат интегрирования на интервал интегрирования, т.к. активная мощность является постоянной составляющей мгновенной мощности. Для этого достаточно определить, например, два пиковых значения мгновенной мощности Р_{t max} и Р_{t min} в моменты, когда cos(2ωt+φ) равен -1 и +1. Подставляя в (3) cos(2ωt+φ)=±1, получимFrom (3) it follows that for determining the active power, i.e. to obtain the result of (4), it is not necessary to choose the integration interval, integrate the instantaneous power and divide the integration result by the integration interval, since active power is a constant component of instantaneous power. To do this, it is enough to determine, for example, two peak values of the instantaneous power P _{t max} and P _{t min} at the moments when cos (2ωt + φ) is -1 and +1. Substituting in (3) cos (2ωt + φ) = ± 1, we obtain

и

and

Суммируя P_{t max} и P_{t min} и учитывая, что

,Summing up P _{t max} and P _{t min} and considering that

,

Фиг.2 иллюстрирует тот факт, что активная мощность может быть измерена как известными способами, включающими интегрирование мгновенной мощности и деление результата интегрирования на интервал интегрирования, так и может быть определена суммированием разнополярных пиковых значений мгновенной мощности. На фиг.2 показаны колебания мгновенной мощности P_t(t) (кривая 1) как результирующей двух составляющих - знакопеременной мощности P_R(t) (кривая 2) и постоянной активной мощности P_A (прямая 3). Энергия, потребляемая нагрузкой за период колебания мощности T_p, определяется площадью выделенного прямоугольника, величина которого, как следует из фиг.3,

. Эта площадь равна заштрихованной площади под кривой мгновенной мощности, которая представляет интеграл

(Сумма площадей зачерненных площадок, представляющих разнополярные энергии, равна нулю). Приравнивая S₁ и S₂, получим

Figure 2 illustrates the fact that the active power can be measured by known methods, including the integration of instantaneous power and dividing the result of integration by the integration interval, and can be determined by summing the bipolar peak values of instantaneous power. Figure 2 shows the fluctuations in the instantaneous power P _t (t) (curve 1) as the resulting two components - alternating power P _R (t) (curve 2) and constant active power P _A (line 3). The energy consumed by the load during the period of power fluctuation T _p is determined by the area of the selected rectangle, the value of which, as follows from figure 3,

. This area is equal to the hatched area under the instantaneous power curve, which represents the integral

(The sum of the areas of the blackened areas, representing heteropolar energies, is equal to zero). Equating S ₁ and S ₂ , we obtain

На фиг.3 показан вариант реализации предлагаемого способа. К источнику 1 (сети) переменного напряжения U подключена нагрузка 2, через которую идет ток I. Напряжение U₁ с датчика тока R₁, например резистора, последовательно включенного с нагрузкой 2, и напряжение U₂ с датчика напряжения R₂, например резистора, образующего с резистором R₃ делитель напряжения, подаются на входы умножителя 3 напряжения. Переменное напряжение U=KP_t, пропорциональное мгновенной мощности, с выхода умножителя 3 подается на входы разнополярных амплитудных детекторов 4 и 5. Один из них, например 4, детектирует напряжение положительной полярности и преобразует его в постоянное положительное U₁=KP_{t max}, а детектор 5 пропускает напряжение отрицательной полярности и преобразует его в постоянное отрицательное напряжение U₂=KP_{t min}. Напряжения U₁ и U₂ суммируются сумматором 6, напряжение на выходе которого

измеряется вольтметром 7 постоянного тока, прокалиброванного в единицах мощности. Коэффициент преобразования k мощности в напряжение является постоянной величиной, которая зависит от выбора датчиков тока и напряжения R₁ и R₂, от коэффициента усиления умножителя 3 и определяется при калибровке вольтметра 7 в единицах мощности.Figure 3 shows an embodiment of the proposed method. A load 2 is connected to a source 1 (network) of alternating voltage U, through which current I flows. Voltage U ₁ from a current sensor R ₁ , for example, a resistor connected in series with load 2, and voltage U ₂ from a voltage sensor R ₂ , for example, a resistor, forming a voltage divider with resistor R ₃ , fed to the inputs of the voltage multiplier 3. An alternating voltage U = KP _t proportional to the instantaneous power is supplied from the output of the multiplier 3 to the inputs of bipolar amplitude detectors 4 and 5. One of them, for example 4, detects a voltage of positive polarity and converts it to a constant positive U ₁ = KP _{t max} , and the detector 5 passes the voltage of negative polarity and converts it into a constant negative voltage U ₂ = KP _{t min} . Voltages U ₁ and U ₂ are summed by an adder 6, the output voltage of which

measured by a dc voltmeter 7, calibrated in units of power. The conversion factor k of power to voltage is a constant value, which depends on the choice of current and voltage sensors R ₁ and R ₂ , on the gain of multiplier 3 and is determined during calibration of voltmeter 7 in units of power.

Claims

A method of measuring the active power of a load in AC electric circuits, based on the formation of an alternating electric voltage proportional to the product of the voltage by the load current, characterized in that pulsating voltages of different polarities are isolated from the generated electric voltage, smoothing the pulsations of both voltages, and convert them to constant bipolar voltages equal in magnitude to the peak values of the ripple voltages sum the constant bipolar voltages and the result of the summation is measured with a DC voltmeter, calibrated in units of power.