автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Методы повышения точности измерения сдвигов фаз между током и напряжением однофазной электрической цепи

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ УКРАИНЫ "КИЕВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ"

'Б ОД

7 f¡HB 1Я97 На правах рукописи

АЛЬ КУЗ Ахмед Хасаи Moca (Иордания)

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СДВИГОВ ФАЗ МЕЖДУ ТОКОМ И НАПРЯЖЕНИЕМ ОДНОФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Специальность 05.11.05 - "Приборы и методы измерения электрических н магнитных величии"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Киев - i996

Работа выполнена на кафедре приборов и систем неразру-шающего контроля Национального технического университета Украины "Киевский политехнический институт"

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: СКВ АО "РОСТОК"

Защита диссертации состоится в января 1997 г. в 14ш на заседании специализированного Сонета Д 01.02.15 в Национальном техническом университете Украины "Киевский политехнический институт" по адресу: 252056, г. Киев, . р. Победы, 37, КПИ (корп.^,'ауд.£Ю

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " " декабря 1996 г.

МАЕВСКИЙ С. М.

Официальные оппоненты: Д.т.н., проф. ГУБАРЬ В.И.

К.т.н., доц. КАЛИНЧИК В.П.

Ученый секретарь специализированного Совета к.т.н., доц.

Актуальность^темш, Качество потребления электроэнергии является важной задачей современной энергетики. Важность этой задачи возрастает, особенно в связи с переводом народного хозяйства Украины на приватизационный уровень, предусматривающий более глубокие взаими расчетные отношения между потребителями электрической энергии и производителями.

Повышение качества потребления электроэнергии позволяет решить несколько важных проблем: уменьшить проектируемые затраты на проводящие материалы электрической сети, облегчить проблемы генерирования электрической мощности в больших замкнутых электрических цепях потребления.

До настоящего времени в электроэнергетике контроль качества потребляемой энергии производится периодически, а не постоянно, а устаревшие приборы измерения параметров качества, - электродинамические фазометры типа Д578/1 имеют низкую точность. Регламентируемая точность 0.1% обеспечивается этими приборами только при условии идеально синусоидальных токов и напряжений, что фактически никогда не наблюдается в реальных условиях. Поэтому реально существующая погрешность в значениях фазового сдвига между током н напряжением цепи может составлять (1*10)0, что совсем не учитывается при подобных измерениях.

В силу существующих противоречий между необходимой точностью определения фазовых сдвигов между током и напряжением цени и фактической точностью применяемых в энергетике фазометров и измерителей cos ср, в настоящей диссертации рассмотрены пути уменьшения погрешностей этих фазометров с учетом всех мешающих »тому факторов, а также рассмотрение путей построения фазометров, способных обеспечить измерение с заданной точностью. При этом, в тссертацни ставится задача получения высокой точности без значн-

тельного усложнения применяемой техники, а также полной автоматн зации предлагаемых дополнительных процедур с целью исключение необходимости переучивания персонала, либо вложения больших за трат на внедрение новой техники.

Из сказанного выше делаю вывод, что постановка задачи поиска путей повышения точности измерения фазовых сдвигов между током и напряжением в электрической цепи на основе использования электродинамических и других недорогих средств измерении - актуальна.

Шли,&1С£ир.юац1Шл Целыо диссертации является выявление источников погрешностей электродинамических и других простых средств для измерения сдвига фаз, а также поиск путей снижения погрешностей без необходимости больших экономических затрат.

Дла^хо£зна№.ния.„поиавлен1ю^цел1С-не()блодимо_реши1ь_следую: тнелехннческиезадачн;

- на основе анализа причин появления погрешностей измерения сдвигов фаз между током и напряжением электроэнергетической однофазной цени определить оптимальные, пути снижения этих погрешностей;

- разработать способы снижения погрешностей от аддитивных шумов и искажений формы сигналов тока и напряжения однофазной электрической цепи;

- дать аргументированные рекомендации по практическому применению этих способов в реальной фазоизмернтелыюй технике;

- проанализировать существующие способы поверки фазоизмерителыюй аппаратуры и разработать методику поверки предложенных в диссертации фазометрических средств.

Методу,исследования--'При исследовании погрешностей фазоизмерителыюй аппаратуры использованы методы теории электрических

сигналов, а также теории линейных и нелинейных электрических цепей.

Научная, новизна. Научной новизной днссертцни в сравнении с известными достижениями развитой теории и техники фазометрни является доказательство наличия корреляционной связи шумов напряжения и тока энергетической однофазной цепи, а также корреляционной связи нелинейных искажений напряжения и тока линейной цепи.

К научной новизне относен также предложенный способ устранения погрешности от аддитивных шумов и нелинейных искажений, заключающийся в отказе от применения избирательного фильтра и реализованный за счет применения дополнительного, управляемого по частоте генератора. Некогерентный напряжению цепи сигнал генератора используется в качестве сигнала с опорной фазой для измерения сдвига фазы основных гармоник напряжения и тока цепи.

Практическая, ценность. Практическая ценность работы заключается в разработке способа подавления погрешностей корреляционных фазометров, вызванных влиянием искажений формы напряжения и аддитивными шумами. Это дает возможность существенно повысите точность измерения фазовых сдвигов напряжения и тока однофазной сети и, как следствие, повысить эффективность использования электрической энергии.

Разработана и исследована схема переноса значений сдвига фаз основных гармоник напряжения и тока на вспомогательные сигналы некогерентного напряжению цепи дополнительного электронного генератора с возможностью последующего прецизионного измерения этого фазового сдвига традиционным электродинамическим фазометром или же фазометрами других типов.

л~б-Ьу/

Р.еалиэ(>циЯ-.реэулыпатов__работ<?1. Полученные в диссертации результаты прошли экспериментальную проверку в части возможности переноса значений сдвига фаз напряжения и тока сети на сигналы вспомогательного электронного генератора. Исследована схема автоматической подстройки генератора и его относительная фазовая стабильность.

Апрабация-рд'бтпы^и-луб^ипацч^ Основные положения диссертации обсуждались на семинаре кафедры приборов и систем неразру-шающего контроля 11ТУУ "КИИ" и опубликованы в двух статьях, депонированных в ГНТБ Украины.

Структура.и _о5мм дисс^рта цни, Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Содержит 87 страниц,

•г

машинописного текста, ЗЦ рисунка.

О.с.ноеиоес.оОержанче.работы^

Во_в.Ц.елеилх обоснована актуальность темы диссертации,

сформулированы задачи исследования. Постановка задачи исследования подтверждена реальными характеристиками напряжения и тока однофазной энергетической цепи и анализом экономических потерь, вызванных недостаточной точностью учета реальных фазовых соотношений между напряжением и током цепн.

В._П.е_р в_оЛ_хле_ рассмотрены методы измерения фазовых сдвигов токов и напряжении электрической цепи. Особое внимание при этом уделено тем методам, которые применяются или способны найти применение при решении задач измерения фазовых соотношений между токами и напряжениями. Рассмотрены особенности реализации суммо-разностных, время-фазовых и корреляционных методов измерения разности фаз гармонических колебаний. Показано, что сум-мо-разносшые методы измерения разности фаз - <р тока и напряжения

электрической цепи или коэффициента мощности cos q>, трудно реализуемые и не обеспечивают достаточной точности измерения.

Из всех методов косвенного аналогового измерении фазовых соотношений с учетом условии их работы в электрической сети наиболее подходит два метода измерения: корреляционный и время-фазовый методы. Корреляционный метод реализован в повсеместно применяемых сегодня аналоговых фазометрах электродинамической системы. Простота электродинамического фазометра и достаточно высокая точность измерения сдвигов фаз обеспечили им самое широкое применение в современной энергетике. В то же время, как показано во_ .вт.орай. г л а о.е_ диссертации, электродинамические фазометры имеют значительную погрешность в случае искажений форм кривых напряжения и тока цепи. Искажение формы кривой напряжения линейной цепи приводит к такому же искажению тока этой цепи. Таким же образом происходит и корреляции аддитивного шума напряжения и тока цепи.

Недостатком корреляционных фазометров является то, что максимум погрешности, вызванной искажением формы кривой напряжения цепи, имеет место при синфазных высших гармониках напряжения и тока. Этому соответствует нулевое значение сдвига фаз напряжения и тока цепи.

Значение погрешности корреляционного фазометра при измерении сдвига фаз между напряжением и током однофазной электрической цепи составит

где Kj - коэффициент нелинейных искажений напряжения электрической цепи (рис. I).

30

Лт, град

0,1

А(созф)

20

0.05

10

0

0,1

------------о

I 10

Коэффициент нелинейных искажений, %

'>1,с '• Зависимость абсолютных погрешностей измерения соэф И <р для (р=0 от коэффициента нелинейных искажений корреляционных фазометров.

Время-фазовые (трнггерные) фазометры в этом отношении выглядят привлекательней - отсутствует влияние высших гармоник, имеющих начальную фазу, одинаковую с основной гармоникой. Однако, в триггерных фазометрах имеет место значительная погрешность для более общего случая - произвольных фазовых соотношений высших гармоник: Лф^ =2Ау, где к[ - коэффициент нелинейных искажений напряжения цепи. Кроме того, применение электронных триггерных фазометров в качестве щитовых приборов в электрических цепях требует организации их питания низковольтным постоянным током, что существенно усложняет как прибор, так и условия его эксплуатации.

Анализ путей снижения погрешностей, обусловленных нелинейными искажениями напряжения (тока) электрической цени приводит к одному — необходимости подавления высших гармоник на входе фазо-нзмерителыюго преобразователя. Изиестны пути решения такой задачи, применительно к фазометрам с линейной зависимостью преобразо-

пания, основанные на применении одного фильтра с поочередным переключением сигналов на входах этого фильтра и измерением сдвигов фаз выходных сигналов фильтра с одним из сравниваемых сигналов. Основные затруднения подобного способа повышения точности в рассматриваемом в диссертации случае сводятся к невозможности создания простого пысоконзбирательного фильтра или же эффективного фильтра нижних частот, обеспечивающего подавление второй и последующих высших гармоник при минимальных затуханиях основной гармоники с частотой 50 Гц. Это и обусловило необходимость поиска иных, альтернативных путей исключения влияния высших гармоник в фазометрах.

В ше_т_ал1|11_ой_сла вке, диссертации рассмотрена возможность

переноса значении разности фаз основных гармоник напряжения и тока реальной энергетической цепи на гармонические сигналы дополнительного электронного генератора, частота колебаний которого устанавливается равной частоте напряжения энергетической цепи с помощью системы фазовой автоматической подстройки частоты (ФЛПЧ).

Перенос значений фаз напряжения и тока выходных напряжений измерительных трансформаторов напряжения и тока осуществляется путем регулирования фазы сигнала вспомогательного генератора. Сигналом обратной связи для такого регулирования может быть выходной сигнал корреляционно) о фазового детектора. Равенство нулю этого постоянного по форме сигнала означает установление 90° -ного сдвига фаз опорного гармонического сигнала вспомагателыюго генератора и основной гармоники выходного сигнала измерительного трансформатора напряжения. Регулирование фазы сигнала вспомагателыюго генератора, необходимое для установления этого фазового соотношения, осуществляется с помощью кругового фазовращателя.

С помошыо другого такого же фазовращателя выполняется регулирование фазы выходного сигнала первого фазовращателя до установления 90° -ною фазового сдвига выходного сигнала второго фазовращателя и основной гармоники выходного сигнала измерительного трансформатора тока, фиксируемого выходным сигналом второго корреляционного преобразователя. Если второй фазовращатель до рас-сми)репной процедуры был установлен в нулевое (по его шкале) положение, ю в результате регулирования он будет установлен в положение, соответствующее внесению им фазового сдвига, равного сдвигу фаз основных гармоник напряжения и тока энергетической цепи. Это значение фазового сдвига может быть сосчитано со шкалы этого (второго) фазовращатели.

Рассмотрена возможность автоматизации переноса сдвига фаз основных гармоник напряжения и тока па сигналы вспомагательного генератора (рис. 2). При этом в качестве необходимых для этой цели фазовых детекторов корреляционного типа, позволяющих фиксировать 90" -ное соотношение одночастотных сигнала вспо'магательного электронного генератора и основной гармоники напряжения или тока выходных сигналов соответственно измерительных трансформаторов напряжения и тока энергетической цепи, предложено использовать из-оестиые балансные схемы детекторов на основе термоэлектрических преобразователей. Термоэлектрические преобразователи имеют идеальную квадратичную характеристику измерительного преобразования и могут быть реализованы с помощью современных технологий в минимальных объемах. •

В случае применения неградуированных фазовращателей показана возможность использования описанной выше схемы переноса фазовых соотношений напряжения и тока цепи на сигналы вспомагательного электронного генератора с последующим измерением сдвига фаз фазо-

Рис. 2. Автоматический корреляционный фазометр для измерения сдвига фаз напряжения к токя энергетической цепи с переносом фаз на сигнал вспомагательного электронного генератора.

метром. Это может быть фазометр любого типа (электродинамический или трштерный).

Также рассмотрены методы экспериментального определения погрешностей градуированных круговых фазоврашателей с целью возможности учета мультипликативных погрешностей таких фазовращателей в схеме измерения фазовых сдвигов (рис. 2).

Разработанный в диссертации метод поверки фазовращателей основан на известном из литературы методе, в котором в качестве образцового сдвига используется сдвиг фаз 360°, реализуемый полным (2л) оборотом ротора кругового фазовращателя. Определены значения поверяемых точек шкалы градуированного фазовращателя, а тг.кже описана последовательность измерительных операций для получения

значения мультипликативной погрешности в заданной точке шкалы поверяемого фазовращателя.

Выводи к.диссертаниаиаои работа:

1. Выполнен анализ методов измерения сдвигов фаз напряжений н токов однофазной электроэнергетической цепи, определены основные погрешности измерительных преобразований.

2. Рассмотрены пути снижения погрешностей фазометров для определения сдвигов фаз токов и напряжений однофазной электроэнергетической цепи, вызванных действиями высших гармоник и аддитивны.; шумов.

3. Предложен метод устранения влияния шумов и высших гармоник на"точность измерения сдвига фаз напряжения и тока однофазной электроэнергетической цепи, основанный на корреляционном преобразовании выходных напряжений измерительных трансформаторов напряжения и тока со вспомогательным напряжением дополнительного электронного генератора, частота которого устанавливается равной частоте, электрической цепи с помощью системы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ).

4. Разработанный способ устранения погрешностей измерения сдвигов фаз основных гармоник напряжения и тока электрической цепи может быть использован в качестве схемы переноса значений этих сдвигов фаз на гармонические сигналы вспомагательного электронного оператора с последующим измерением сдвига фаз традиционными фазометрами.

5. Разработана структурная схема автоматического фазометра с переносом измеряемых фазовых сдвигов основных гармоник напряжения и тока электрической цепи на сигналы вспомагательного эле к-

тронного генератора, в которой значение измеряемого фазового сдвига считывается по шкале градуированного фазоврашателл.

6. Разработана методика экспериментальной поверки круговых фазовращателей, базирующаяся на формировании образцового значения сдвига фаз, равное «-360°, где /1=1, 2, 3, ...

работа)с;

1. Анализ погрешностей корреляционного измерения фазовых сдвигов тока и напряжения однофазной сети/ Маевскнй СМ., Дль-Куз А.Х. : Han. техн. ун-т Украины "Киев, политехи, ин-т".-Киев,1996.-25 с. деп. в ГНТБ Украины, №1860-УК-96.

2. Анализ погрешностей время-фазового метода измерения сдвига фаз между током и напряжением однофазной электрической цепи/Аль-Куз А.Х. : Нац.техн.ун-т Украины "Киев.политехи, ин-т",-Киев,1996.-12 с. деп. в ГНТБ Украины, №1859-УК 96.

Личный.склад. аегпорц - анализ погрешности методов измерения фазовых сдвигов фазометрических структур, анализ погрешности фазовращателя, а также синтез и анализ структур фазометров.

лнотлцш

Аль-Куз Ахмед Хасан. Методи шдвитеннн точносп еидфюпаныя зеувт фаз М1ж струмом та напругою однофазного електричного кола. Днсерташя на здобуття вченого стушня кандидата техгпчних наук за снецнальпистю 05.11.05 - "Прилади та методи внм!рювання електрич-них ! мапптиих величин". Нацюнальний техшчиий ушверситет Украшн "Кишськмй нолЬехшчннй жститут", Кшв, 1996.

В дисертаин приведено ана.-из нохибок вим1рювання фазового зсуву м1ж напругою 1 струмом в однофазному електричному. кол1 та показ,"но иедсшк методу та засоб1в кореляцшного та часошпульсного вимфювання фазових зсув!в, то приводить до похибки вимфювання в залежност1 шд нелшшних спотворень нанруги кола та адитнвних шум1в, що 1снують як складов! напруги.

Запропонаааио шлях подоланнп цих недол!к!в фазометра, що грунтуется на додаткоаому кореляшйиому переткореин! вих!дних наируг вим1рш8альних трансформатор1в напруги та струму з сигналом до-пом1жного електронного генератора, частота которого встаноилюеться р!ыпою частот! електричного кола. В результат! запропоиоааиого пере-творенля фазовий зсув спотворених формою напруги та струму переноситься на снгнали допом|'жного генератора. Наведено структур»! схеми фазошпнрювального перетворення, що реал!зуеться шляхом в!дл1ку фазового зсуву, що вносить регульованнй колоний фазорегулятор. Приведено анал1з похнбок колових фазорегулятор!в.

SUMMARY

Al-Kottz Ahmad Hasan. Methods of improving accuracy of phase-shift neasurement between current and voltage in single-phase electric circuit. Thesis for Candidate of technical sciences degree, speciality 05.11.05 -'Instruments and methods of measurement of electrical and magnetic pianlities", National Technical University "Kiev Polytechnic Institute", Kiev, 1996. "

An analysis of errors of phase-shift measurement between voltage and current is present. Also, the deficiencies of methods and means of :orielational and time-pulse time-shift measurements, ate shown, that lead lo measurement errors depending on non-linear voltage distortions and iddilive noise.

The way to overcome these disadvantages of phasemeter has been proposed; it is being grounded, on additional correlational transforms of jutput signals of measuring voltage and current transformers with luxiliary electronic generator signal, which frequency is set equal to the jne of the electric circuit. As a result, the proposed transform of phase->hift of distorted wave forms transfers to auxiliary generator's signals. Sliuctural schemes of phase measurement transducing are given, being ealized by phase-shift reference and controlled circuit phase regulator. An inalysis of circuit phase regulator errors arc given.

Кмч'ц'выехлоэа; Сдвиг фаз между током и напряжением энергетической цепи", корреляционное преобразование.

Полп. к печ. гг. 11.96 Форилг G0X84V,,.

Бумага тип. № I . <.>шсоб печаги офсстиый. Услоан. печ, л. J, О Услпви. hp.-отт. i. f- ■ . Уч.-юд. л i.O. Тираж■fCO ■ За«. № а ■ v?!_J ,

Фирм« ' ПИ ПОЛ » 252151, г. Кнеп, ул. В пли не к a it, GO.