Патент на изобретение №2247998

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУДЫ И ФАЗЫ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СИНУСОИДЫ ТОКА В ЦЕПИ С ФЕРРОМАГНИТНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

(57) Реферат:

Способ может быть использован при обработке электротехнических данных для замены действительной несинусоидальной кривой тока, содержащей высшие гармоники, эквивалентной синусоидой. Измеряют мгновенные значения синусоидального питающего напряжения и несинусоидального тока в цепи. По цифровым отсчетам мгновенных значений синусоидального напряжения и несинусоидального тока в цепи, взятых в одни и те же моменты времени, определяют среднюю за период мощность и действующие значения напряжения и тока. Фазу эквивалентной синусоиды определяют по отношению мощности к произведению их действующих значений. 3 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области систем обработки информации и электротехники и может быть использовано для замены действительной несинусоидальной кривой тока, содержащей высшие гармоники, эквивалентной синусоидой.

В электротехнике известен способ определения амплитуды и фазы эквивалентной синусоиды [Демирчян К.С. и др. Теоретические основы электротехники /К.С.Демирчян, Л.Р.Нейман, Н.В.Коровкин, В.Л.Чечурин. – 4-е изд., перераб. и доп. СПб.: Питер, 2003. – Т.2], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения напряжения и тока в цепи, содержащей нелинейные элементы, определяют амплитуду эквивалентной синусоиды тока по формуле

Недостатком известного способа является допущение о том, что не существует угла сдвига _э между синусоидальным напряжением u(t_j) и эквивалентной синусоидой тока i_э(t_j).

Задачей изобретения является разработка способа определения амплитуды и фазы эквивалентной синусоиды тока в цепи с ферромагнитным сердечником по известным синусоидальной кривой напряжения u(t_j) и несинусоидальной кривой тока i(t_j), представленных цифровьми отсчетами мгновенных значений для одних и тех же моментов времени в однофазной цепи переменного тока.

Это достигается тем, что способ определения амплитуды и фазы эквивалентной синусоиды тока в цепях с ферромагнитным сердечником включает так же, как в прототипе, измерение мгновенных значений синусоидального питающего напряжения u(t_j) и несинусоидального тока i(t_j) для одних и тех же моментов времени t_j=t₁,t₂,…,t_N, где N – число разбиений на периоде Т, и определение амплитуды эквивалентной синусоиды тока по формуле

Новым является то, что с помощью программатора действующих значений определяют действующие значения сигналов тока и напряжения по выражениям

соответственно. Далее с помощью множителя по действующему значению тока определяют амплитуду эквивалентной синусоиды тока по вышеуказанной формуле. Затем с помощью программатора мощности определяют активную (среднюю за период) мощность из выражения

Далее с помощью делителя определяют фазу эквивалентной синусоиды по выражению

Если в электрической цепи присутствует элемент, имеющий ферромагнитный сердечник, например трансформатор, то периодический ток в такой цепи будет содержать высшие гармоники, даже если приложенное напряжение будет синусоидальным. Для такой цепи дальнейший расчет будет очень сложным из-за невозможности применения векторной диаграммы и комплексной формы записи для сопротивлений, зависящих от тока. Нами экспериментально установлено, что для дальнейшего расчета такой электрической цепи можно заменять несинусоидальную кривую тока эквивалентной синусоидой таким образом, чтобы активная мощность в цепи оставалась без изменения. Активная (средняя за период) мощность может быть определена двояко:

Приравняв правые части формул (1) и (2), можно найти как

Экспериментально установлено, что формула (3) подходит и для определения эквивалентного угла синусоиды тока, поэтому способ определения амплитуды и фазы эквивалентной синусоиды тока в цепи с ферромагнитным сердечником позволяет определить угол между синусоидальным напряжением и эквивалентной синусоидой тока.

На фиг.1 приведена аппаратная схема устройства, реализующего рассматриваемый способ определения амплитуды и фазы эквивалентной синусоиды тока в цепи с ферромагнитным сердечником.

На фиг.2 приведены графики синусоидального питающего напряжения и несинусоидального тока холостого хода, снятые при опыте холостого хода для трансформатора ПОБС5Г.

На фиг.3 приведены графики синусоидального питающего напряжения и эквивалентной синусоиды тока холостого хода для трансформатора ПОБС5Г.

В табл.1 приведены цифровые отсчеты мгновенных значений синусоидального питающего напряжения и несинусоидального тока холостого хода, снятые при опыте холостого хода для трансформатора ПОБС5Г.

В табл.2 приведены цифровые отсчеты мгновенных значений синусоидального питающего напряжения и эквивалентной синусоиды тока холостого хода для трансформатора ПОБС5Г.

Способ может быть осуществлен с помощью схемы (фиг.1), содержащей датчики сигналов 1 (ДС1), 2 (ДС2), один выход которых соединен с входами программатора действующих значений 3 (ПДЗ), а другой выход с входами программатора мощности 4 (ПМ). Один выход программатора действующих значений 3 (ПДЗ) соединен с входом множителя 5 (М), а другой выход с входом делителя 6 (Д). Выход программатора мощности 4 (ПМ) соединен с входом делителя 6 (Д).

В качестве датчиков сигналов 1 (ДС1) и 2 (ДС2), может быть использован промышленный прибор Базовый информационно-измерительный модуль 2000 (БИМ-1130 С1). Программатор действующих значений 3 (ПДЗ), программатор мощности 4 (ПМ), множитель 5 (М) и делитель 6 (Д) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53. Для работы пользователя может быть предусмотрена кнопочная клавиатура FT008, имеющая 8 кнопок, предназначенных для включения питания, запуска измерения, сохранения значений, и индикатор SCD 55100 для вывода численных значений амплитуды и фазы эквивалентной синусоиды тока.

С выходов датчиков сигналов 1 (ДС1) и 2 (ДС2) сигналы, цифровые отсчеты которых сняты для трансформатора типа ПОБС5Г и представлены в табл.1, а графики, построенные по отсчетам табл.1 – на фиг.2, поступают на входы программатора действующих значений 3 (ПДЗ) и на входы программатора мощности 4 (ПМ) одновременно. С помощью программатора действующих значений 3 (ПДЗ) определяют действующие значения для каждого из сигналов по формуле, заложенной в программатор, а именно

[Гольдштейн Е.И., Коробко П.Ф. Технология решения инженерных задач: Учеб. пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 1999. – 140 с.] Для данных табл.1 – С выхода программатора действующих значений 3 (ПДЗ) действующее значение тока поступает на вход множителя 5 (М). С помощью множителя 5 (М) определяют амплитуду эквивалентной синусоиды по формуле

[Демирчян К.С. и др. Теоретические основы электротехники /К.С.Демирчян, Л.Р.Нейман, Н.В.Коровкин, В.Л.Чечурин. – 4-е изд., перераб. и доп. – СПб.: Питер, 2003. Т.2]. В данном случае I_mэ=0,213707. С помощью программатора мощности 4 (ПМ) определяют активную (среднюю за период) мощность для этих сигналов по выражению:

Для данных табл.1 –

С выхода программатора действующих значений 3 (ПДЗ) действующие значения напряжения и тока поступают на вход делителя 6 (Д). С выхода программатора мощности 4 (ПМ) значение мощности поступает на вход делителя 6 (Д). С помощью делителя 6 (Д) определяют фазу эквивалентной синусоиды по выражению:

В данном случае _э=72,36149°.

Для наглядности в табл.2 представлены цифровые отсчеты мгновенных значений для синусоидального напряжения и эквивалентной синусоиды тока, причем цифровые отсчеты эквивалентной синусоиды тока вычислены для тех же моментов времени, что и цифровые отсчеты синусоидального напряжения, т.е. t_j=t₁, t₂,…, t_N. Hа фиг.3 для отсчетов мгновенных значений, приведенных в табл.2, построены графики синусоидального напряжения и эквивалентной синусоиды тока. Сравнивая графики тока на фиг.2 и на фиг.3, видно, что несинусоидальная кривая тока теперь “синусоидальна” и может быть применена для расчетов цепей, содержащих ферромагнитный сердечник.

Таким образом, получен способ определения амплитуды и фазы эквивалентной синусоиды тока в цепи с ферромагнитным сердечником, учитывающий угол сдвига между синусоидальной кривой напряжения и несинусоидальной кривой тока, и может быть использован для построения векторных диаграмм тока и напряжения.

Формула изобретения

Способ определения амплитуды и фазы эквивалентной синусоиды тока в цепи с ферромагнитным сердечником, включающий измерение мгновенных значений синусоидального питающего напряжения и несинусоидального тока и определение амплитуды эквивалентной синусоиды тока, отличающийся тем, что для сигналов синусоидального питающего напряжения u(t_j) и несинусоидального тока i(t_j), представленных цифровыми отсчетами мгновенных значений для одних и тех же моментов времени t_j=t₁, t₂,…, t_N, где N – число разбиений на периоде Т, с помощью программатора действующих значений определяют их действующие значения по выражениям

затем с помощью программатора мощности определяют активную (среднюю за период) мощность из выражения

далее с помощью делителя определяют фазу эквивалентной синусоиды по выражению

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 09.01.2006

Извещение опубликовано: 20.09.2007 БИ: 26/2007