專利名稱：異步電流能量儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種考核三相不對稱非線性隨機負荷對電力系統危害程度的理論指標，并據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，電網中諧波和負序電流明顯增加，不論是對發電機，還是對用戶負荷性質的考核，都應將負序電流和三相諧波電流的綜合影響規納成一個指標來衡量。但目前對發電機轉子發熱的影響，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一的綜合指標。
本發明的目的是將三相電流不對稱和諧波電流都規納為一個會導致發電機轉子熱耗增加的因素，導出一個單一綜合指標，從而為新的計量儀表構思提供根據。
本發明的關鍵是從三相負荷電流在理想電機空間上產生的電樞反應磁場，在恒速旋轉的轉子上進行切割所產生的感應電流，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)下面對本發明的原理作進一步闡明發電機定子每相電流所產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)發電機轉子以x＝wt的恒速正向旋轉，因而掃過電機轉子的交變磁通Φ(t)的標幺值可以直接由(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，它在轉子中不會感應電流，其余交變成份在發電機轉子上的感應電勢將是e(t)＝dΦ(t)/dt……(5)由于頻率愈高渦流集膚趨表效應亦更大，異步損耗將增高，因而將“異步電流”看成和感應電勢成正比，但為確保三相電流為純負序時，由(2)式算出的“異步能量”在數值上和負序能量相等，故“異步電流”還需再除以一系數，以確保“異步能量”和負序電流能量相銜接，即
這就是公式(1)的結果當三相電流只包含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子上產生的感應電流。此外從數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生的磁場組份有多種，可分三類其一是和轉子同步的恒定磁場，因無相對切割，故它不會產生“異步電流”分量;其二是和轉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，它相對轉子只以(K-1)倍的同步速運動，就產生(K-1)次頻率的“異步電流”成份;其三是和轉子反向旋轉的系列磁場，對K次諧波而言，它相對轉子卻以(K+1)倍的同步速運動，就產生(K+1)次頻率的“異步電流”成份。由(6)，(2)式表達的“異步能量”的概念卻正好反應所有這些諧波或不對稱成份所感應的渦流損耗的相對大小，在定量上又正好和發電機關于負序電流能量的標尺相同。當此表用于監測發電機時，可用發電機制造廠家給出的A值作比較，以判斷發電機轉子發熱是否超標。當此表用于監測用戶負荷時，可表徵用電負荷對電能質量危害程度的指標。此外，當三相突發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時，本發明公式依然能準確地表徵“異步能量”這一概念。
本發明與現有技術相比，其顯著優點是它用“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;當三相不對稱負荷為純基波時，本表能準確反映負序電流能量的大小，且測量結果不受頻率變化的影響。
圖1是實現異步能量儀的電路原理圖。
圖2是數控運放乘法器的示意圖。
下面結合圖1，圖2對異步能量儀作進一步敘述。
如圖1，由數控運放1，2，3分別實現硬件乘法器的功能，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。再經過模數變換器7，數控運放乘法器8，實現｜ig(t)＊ig(t)｜的自乘。由數控運放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”的積分結果。積分器9輸出到由R7，R8，R9，R10，R11，R12和光耦部件10的發光二極管D1等組成的V/F電壓頻率變換器11，將積分器9的輸出電壓轉化為變位的計數信號，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，從而實現將“異步能量”轉化為計數脈沖信號。V/F電壓頻率變換器11輸出接到單片機12的計數端進行累計，以得到“異步能量”Wg(t)的結果。單片機12將“異步能量”的結果送到顯示器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，并經鎖相倍頻器22，倍頻720倍，將每周波分割720等分。即送數采樣間隔弧度為α＝2π/720;送數采樣間隔時間為τ＝1/(720f)，則第m次送數采樣間隔時，數控運放乘法器1，2，3的計算結果分別為ia(t)＊sin(mτ);ib(t)＊sin[(m-240)τ];ic(t)＊sin[(m+240)τ]如圖2，數控運放乘法器1是由鎖存器1，D/A數模變換器2，運放A1所組成。模擬量ia(t)送入到D/A數模變換器2的參考電壓Vref端，單片機向鎖存器1送數字量sin(mτ)，由鎖相倍頻脈沖同步控制各數控運放乘法器中的鎖存器，將數字量sin(mτ)輸入到D/A數模變換器，以實現硬件乘法的結果，此時數控運放乘法器1的結果為ia(t)＊sin(mτ)。其余數控運放乘法器2，3，8的結構和此類同。
本發明的最佳實施方案是D/A模數變換器選12位，由數控運放乘法器實現“異步能量”的全部運算，具有速度快，結構間單，性能價格比高等優點。
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，再經整流器17輸出直流電平，直接由數字表頭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，再經整流器20輸出直流電平，直接由數字表頭21顯示“異步電流”的平均值。
通過上面闡述可知，本發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的影響，規納為一個綜合指標異步能量表，它表現為對系統中電機轉子熱耗的影響;二個參考指標同步電流表，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整運行方式。
權利要求
1.一種能考核三相不對稱非線性隨機負荷對電力系統危害程度的理論指標，及能實現此目的的計量儀器--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.根據權利要求1中的異步能量儀，其特征是由數控運放1，2，3分別實現硬件乘法器的功能，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;再經過模數變換器7，數控運放乘法器8，實現ig(t)＊ig(t)的自乘;由數控運放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的輸出電壓轉化為變位的計數信號，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，從而實現將“異步能量”轉化為計數脈沖信號;V/F電壓頻率變換器11輸出接到單片機12的計數端進行累計，以得到“異步能量”Wg(t)的結果;單片機12將“異步能量”的結果送到顯示器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控運放乘法器中的鎖存器，將數字量送入D/A數模變換器，以實現硬件乘法的結果;鎖相倍頻的倍數也可以選高些，但應是3的倍數。
3.根據權利要求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，再經整流器17輸出直流電平，直接由數字表頭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，再經整流器20輸出直流電平，直接由數字表頭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量的影響綜合為一個站在轉子軸線上看的“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的危害，歸納為對系統中電機轉子熱耗的影響；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 優先權日1993年2月19日
發明者張旭俊 申請人:張旭俊