專利名稱：異步電流能量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種考核三相不對稱非線性隨機負荷對電力系統(tǒng)危害程度的理論指標(biāo)，并據(jù)此提出一種新的計量儀表的方案。
隨著電爐冶煉，電氣機車等三相不對稱非線性負荷的出現(xiàn)，電網(wǎng)中諧波和負序電流明顯增加，不論是對發(fā)電機，還是對用戶負荷性質(zhì)的考核，都應(yīng)將負序電流和三相諧波電流的綜合影響規(guī)納成一個指標(biāo)來衡量。但目前對發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱的影響，只考慮負序電流I2或負序能量I2＊I2＊T的影響，而未計及諧波電流的影響;對用戶負荷只孤立地看各相電流電壓的各次諧波分量，而未計及三相不對稱電流的影響，目前缺少一個理論上統(tǒng)一的綜合指標(biāo)。
本發(fā)明的目的是將三相電流不對稱和諧波電流都規(guī)納為一個會導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)子熱耗增加的因素，導(dǎo)出一個單一綜合指標(biāo)，從而為新的計量儀表構(gòu)思提供根據(jù)。
本發(fā)明的關(guān)鍵是從三相負荷電流在理想電機空間上產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場，在恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子上進行切割所產(chǎn)生的感應(yīng)電流，稱之為“異步電流”的概念入手，可將三相不對稱非線性也非周期的負荷電流ia(t)，ib(t)，ic(t)綜合為一個站在轉(zhuǎn)子軸線上看的“異步電流”ig(t)和異步能量Wg(t)，它們的表式為ig(t)＝[dΦ(t)/dt]/(3＊w)……(1)其中w＝2πf是電氣角速度，Φ(t)是從轉(zhuǎn)子軸線上看到的交變磁通。而“異步能量”Wg(t)為Wg(t)＝∫[ig(t)＊ig(t)].dt……(2)下面對本發(fā)明的原理作進一步闡明發(fā)電機定子每相電流所產(chǎn)生的磁勢沿空間將是正弦分布，A，B，C三相線圈在空間彼此錯開120°，故三相電樞反應(yīng)的合成磁勢將是F(x，t)＝ia(t)＊sinx+ib(t)＊sin(x-2π/3)+ic(t)＊sin(x+2π/3)……(3)發(fā)電機轉(zhuǎn)子以x＝wt的恒速正向旋轉(zhuǎn)，因而掃過電機轉(zhuǎn)子的交變磁通Φ(t)的標(biāo)幺值可以直接由(3)式中，令x＝wt來得到，如公式(4)Φ(t)＝ia(t)＊sin(wt)+ib(t)＊sin(wt-2π/3)+ic(t)＊sin(wt+2π/3)……(4)這個交變磁通中，可包含一個直流分量，它就是相對于三相平衡基波電流的恒定磁場，它在轉(zhuǎn)子中不會感應(yīng)電流，其余交變成份在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電勢將是e(t)＝dΦ(t)/dt……(5)由于頻率愈高渦流集膚趨表效應(yīng)亦更大，異步損耗將增高，因而將“異步電流”看成和感應(yīng)電勢成正比，但為確保三相電流為純負序時，由(2)式算出的“異步能量”在數(shù)值上和負序能量相等，故“異步電流”還需再除以一系數(shù)，以確保“異步能量”和負序電流能量相銜接，即
這就是公式(1)的結(jié)果當(dāng)三相電流只包含50周的負序電流時，i2(t)＝√2I2sin(wt)，由(6)式算出的“異步電流”為ig(t)＝√2I2cos(2wt)，可見負序電流的模值大小和“異步電流”的模值大小相等，但不同的是后者是100周的正弦波，它是定子上負序電流磁場在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的感應(yīng)電流。此外從數(shù)值上看負序電流能量和“異步能量”也相等，正是這一點保證了“異步能量”概念和負序電流能量的概念相銜接。
當(dāng)三相電流包含基波，諧波等不對稱分量時，這時在電機空間所產(chǎn)生的磁場組份有多種，可分三類其一是和轉(zhuǎn)子同步的恒定磁場，因無相對切割，故它不會產(chǎn)生“異步電流”分量;其二是和轉(zhuǎn)子同向但不同步的系列磁場，對K次諧波而言，是K倍的同步速，它相對轉(zhuǎn)子只以(K-1)倍的同步速運動，就產(chǎn)生(K-1)次頻率的“異步電流”成份;其三是和轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)的系列磁場，對K次諧波而言，它相對轉(zhuǎn)子卻以(K+1)倍的同步速運動，就產(chǎn)生(K+1)次頻率的“異步電流”成份。由(6)，(2)式表達的“異步能量”的概念卻正好反應(yīng)所有這些諧波或不對稱成份所感應(yīng)的渦流損耗的相對大小，在定量上又正好和發(fā)電機關(guān)于負序電流能量的標(biāo)尺相同。當(dāng)此表用于監(jiān)測發(fā)電機時，可用發(fā)電機制造廠家給出的A值作比較，以判斷發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱是否超標(biāo)。當(dāng)此表用于監(jiān)測用戶負荷時，可表徵用電負荷對電能質(zhì)量危害程度的指標(biāo)。此外，當(dāng)三相突發(fā)短路時含有非周分量，或像電爐冶煉等負荷隨機性很大，甚至都不是周期性函數(shù)時，本發(fā)明公式依然能準(zhǔn)確地表徵“異步能量”這一概念。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點是它用“異步能量”的概念來綜合考慮三相不對稱非線性隨機負荷對電力系統(tǒng)的影響;對周期性負荷時，它能計及負序電流和諧波電流的綜合影響;當(dāng)三相不對稱負荷為純基波時，本表能準(zhǔn)確反映負序電流能量的大小，且測量結(jié)果不受頻率變化的影響。


圖1是實現(xiàn)異步能量儀的電路原理圖。
圖2是數(shù)控運放乘法器的示意圖。
下面結(jié)合圖1，圖2對異步能量儀作進一步敘述。
如圖1，由數(shù)控運放1，2，3分別實現(xiàn)硬件乘法器的功能，以便得到ia(t)＊sin(wt)，ib(t)＊sin(wt-2π/3)，ic(t)＊sin(wt+2π/3)等三項，將它們一起輸入到由R1，R2，R3，R4和運放A1組成的加法器4，以得到公式(4)的交變磁通Φ(t)的結(jié)果。加法器4輸出接到由C1，R5和運放A2組成的微分器5得到“異步電流”ig(t)的結(jié)果。微分器5的輸出接到全波整流器6，得到｜ig(t)｜的絕對值。再經(jīng)過模數(shù)變換器7，數(shù)控運放乘法器8，實現(xiàn)｜ig(t)＊ig(t)｜的自乘。由數(shù)控運放8輸出接到由R6，C2，運放A3等組成的積分器9，得到∫｜ig(t)＊ig(t)｜.dt的“異步能量”的積分結(jié)果。積分器9輸出到由R7，R8，R9，R10，R11，R12和光耦部件10的發(fā)光二極管D1等組成的V/F電壓頻率變換器11，將積分器9的輸出電壓轉(zhuǎn)化為變位的計數(shù)信號，同時通過光耦部件10的三極管T1，放電電阻R7將積分器9的電容C2放電，以待再次積分，從而實現(xiàn)將“異步能量”轉(zhuǎn)化為計數(shù)脈沖信號。V/F電壓頻率變換器11輸出接到單片機12的計數(shù)端進行累計，以得到“異步能量”Wg(t)的結(jié)果。單片機12將“異步能量”的結(jié)果送到顯示器13進行顯示。
為了保證角頻率w＝2πf和理想電機轉(zhuǎn)子同步，進行實時電壓信號采樣，并將線電壓Uab接向由R13，R14，R15，C3，C4，和運放A5所組成的濾過器14，以便削弱高次諧波。濾過器14的輸出接到由R16和運放A6組成的方波形成器15，并經(jīng)鎖相倍頻器22，倍頻720倍，將每周波分割720等分。即送數(shù)采樣間隔弧度為α＝2π/720;送數(shù)采樣間隔時間為τ＝1/(720f)，則第m次送數(shù)采樣間隔時，數(shù)控運放乘法器1，2，3的計算結(jié)果分別為ia(t)＊sin(mτ);ib(t)＊sin[(m-240)τ];ic(t)＊sin[(m+240)τ]如圖2，數(shù)控運放乘法器1是由鎖存器1，D/A數(shù)模變換器2，運放A1所組成。模擬量ia(t)送入到D/A數(shù)模變換器2的參考電壓Vref端，單片機向鎖存器1送數(shù)字量sin(mτ)，由鎖相倍頻脈沖同步控制各數(shù)控運放乘法器中的鎖存器，將數(shù)字量sin(mτ)輸入到D/A數(shù)模變換器，以實現(xiàn)硬件乘法的結(jié)果，此時數(shù)控運放乘法器1的結(jié)果為ia(t)＊sin(mτ)。其余數(shù)控運放乘法器2，3，8的結(jié)構(gòu)和此類同。
本發(fā)明的最佳實施方案是D/A模數(shù)變換器選12位，由數(shù)控運放乘法器實現(xiàn)“異步能量”的全部運算，具有速度快，結(jié)構(gòu)間單，性能價格比高等優(yōu)點。
如圖1，將加法器4輸出接到由R17，R18，C5和運放A6組成的積分器16，可獲得實時的同步電流il(t)，將積分器16的輸出，再經(jīng)整流器17輸出直流電平，直接由數(shù)字表頭18顯示同步電流的平均值。將整流器6輸出接到由R19，R20，C6和運放A7組成的積分器19，可獲得實時的“異步電流”ig(t)，將積分器19的輸出，再經(jīng)整流器20輸出直流電平，直接由數(shù)字表頭21顯示“異步電流”的平均值。
通過上面闡述可知，本發(fā)明具有三種功能同步電流表;異步電流表;異步能量表。它能把三相不對稱非線性的隨機負荷對電力系統(tǒng)的影響，規(guī)納為一個綜合指標(biāo)異步能量表，它表現(xiàn)為對系統(tǒng)中電機轉(zhuǎn)子熱耗的影響;二個參考指標(biāo)同步電流表，異步電流表。前者反映正序電流的大小，后者反映負序電流和全部諧波電流的綜合效果。由于從廣義看非周期的隨機負荷時，應(yīng)用同步電流和異步電流的名字更確切，從異步電流對同步電流比值的大小可以看出負荷的不對稱程度和非線性諧波分量的嚴(yán)重情況，以確定是否需要采取補償;從異步能量的大小可以考慮電價的組成，以便促使用戶改善負荷特性或調(diào)整運行方式。
權(quán)利要求
1.一種能考核三相不對稱非線性隨機負荷對電力系統(tǒng)危害程度的理論指標(biāo)，及能實現(xiàn)此目的的計量儀器--異步能量儀，其特征是將三相不對稱非線性也非周期的負荷電流ia(t)，ib(t)，ic(t)綜合為一個站在轉(zhuǎn)子軸線上看的“異步電流”ig(t)和異步能量Wg(t)；對周期性負荷時，它能計及負序電流和諧波電流的綜合影響；在一般情況下它表面為反映電機轉(zhuǎn)子熱耗增加的因素，它們的表式為ig(t)= (d[ia(t)*sin(wt)+ib(t)*sin(wt-2π/3)+ic(t)*sin(wt+2π/3)])/((3w)*dt)……(1)Wg(t)=∫[ig(t)*ig(t)].dt ……(2)
2.根據(jù)權(quán)利要求1中的異步能量儀，其特征是由數(shù)控運放1，2，3分別實現(xiàn)硬件乘法器的功能，以便得到ia(t)＊sin(wt)，ib(t)＊sin(wt-2π/3)，ic(t)＊sin(wt+2π/3)等三項，將它們一起輸入到加法器4，再接到微分器5得到“異步電流”ig(t)的結(jié)果;微分器5的輸出接到全波整流器6，得到ig(t)的絕對值;再經(jīng)過模數(shù)變換器7，數(shù)控運放乘法器8，實現(xiàn)ig(t)＊ig(t)的自乘;由數(shù)控運放8輸出接到由R6，C2，運放A3等組成的積分器9，得到∫｜ig(t)＊ig(t)｜.dt的“異步能量”的積分結(jié)果;積分器9輸出到V/F電壓頻率變換器11，將積分器9的輸出電壓轉(zhuǎn)化為變位的計數(shù)信號，同時通過光耦三極管T1，放電電阻R7將積分器9的電容C2放電，以待再次積分，從而實現(xiàn)將“異步能量”轉(zhuǎn)化為計數(shù)脈沖信號;V/F電壓頻率變換器11輸出接到單片機12的計數(shù)端進行累計，以得到“異步能量”Wg(t)的結(jié)果;單片機12將“異步能量”的結(jié)果送到顯示器13進行顯示;為了保證角頻率w＝2πf和理想電機轉(zhuǎn)子同步，進行實時電壓信號采樣，并將線電壓Uab接向濾過器14，再接到方波形成器15，并經(jīng)鎖相倍頻720倍，將每周波分割720等分，鎖相倍頻脈沖同步控制各數(shù)控運放乘法器中的鎖存器，將數(shù)字量送入D/A數(shù)模變換器，以實現(xiàn)硬件乘法的結(jié)果;鎖相倍頻的倍數(shù)也可以選高些，但應(yīng)是3的倍數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中的異步電流能量儀，其特征是將加法器4輸出接到積分器16，可獲得實時的同步電流i1(t)，將積分器16的輸出，再經(jīng)整流器17輸出直流電平，直接由數(shù)字表頭18顯示同步電流的平均值;將整流器6輸出接到積分器19，可獲得實時的“異步電流”ig(t)，將積分器19的輸出，再經(jīng)整流器20輸出直流電平，直接由數(shù)字表頭21顯示“異步電流”的平均值;從異步電流對同步電流比值的大小可以看出負荷的不對稱程度和非線性諧波分量的嚴(yán)重情況，以確定是否需要采取補償;從異步能量的大小可以考慮電價的組成，以便促使用戶改善負荷特性或調(diào)整運行方式。
全文摘要
異步電流能量儀是將三相不對稱非線性也非周期的負荷電流對電能質(zhì)量的影響綜合為一個站在轉(zhuǎn)子軸線上看的“異步電流”ig(t)和異步能量Wg(t)；它把三相不對稱非線性的隨機負荷對電力系統(tǒng)的危害，歸納為對系統(tǒng)中電機轉(zhuǎn)子熱耗的影響；異步電流表能反映非周期電流，負序電流和諧波電流的綜合危害程度，由集成電路和單片機構(gòu)成。
文檔編號G01R29/16GK1083222SQ93101748
公開日1994年3月2日 申請日期1993年2月19日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月19日
發(fā)明者張旭俊 申請人:張旭俊