Автономний пристрій для дослідження параметрів режиму електричних мереж

Реферат: Автономний пристрій для дослідження параметрів режиму електричних мереж містить резистивні дільники напруги та спеціалізовані мікросхеми підсилювача із гальванічною розв'язкою для вимірювання напруги кожної фази мережі, виходи яких з'єднано з входами блоків узгодження, виходи яких з'єднані з входами блока аналогово-цифрового перетворювача, інші входи якого приєднано до виходів блоків узгодження сигналів струму, входи яких з'єднані з виходами вимірювальних струмових кліщів, входи останніх магнітним ланцюгом з'єднані з фазними дротами мережі. Входи перетворювачів постійної напруги в постійну напругу з гальванічною розв'язкою з'єднані з автономним блоком живлення. Вихід блока аналогово-цифрового перетворювача через USB 1.1-порт з'єднано з електроннообчислювальною машиною, яка має автономне джерело живлення. UA 70050 U (54) АВТОНОМНИЙ ПРИСТРІЙ ДЛЯ ДОСЛІДЖЕННЯ ПАРАМЕТРІВ РЕЖИМУ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖ UA 70050 U UA 70050 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки та електромеханіки, може бути використана для дослідження параметрів режиму: електричних мереж загального призначення змінного струму, бортових мереж мобільних установок, мереж електричного транспорту, мереж постійного струму, силових перетворювальних пристроїв. Відоме технічне рішення [патент UA28957, G01R 19/25, 25.12.2007, бюл. № 21, Пристрій для вимірювання електричного струму, Кухарчук В.В., Усов В.В.] для вимірювання електричного струму, що містить аналого-цифровий перетворювач, до якого введено дванадцятирозрядну вихідну шину, яка з'єднана з аналого-цифровим перетворювачем, мікропроцесорний контролер, перші десять виходів якого підключені до десятирозрядної вихідної шини, другі три виходи з'єднані з трирозрядною вихідною шиною, треті два виходи підключені до дворозрядної вихідної шини, а п'ятий вихід з'єднаний з першим входом аналого-цифрового перетворювача, який своїми першими дванадцятими входами підключений до дванадцятирозрядної вихідної шини, а третій вхід з'єднаний з виходом аналого-цифрового перетворювача, цифро-аналоговий перетворювач, перший вихід якого підключений до другого входу аналого-цифрового перетворювача, другий вихід якого з'єднаний з другим входом мікропроцесорного контролера, а вхід підключений до четвертого входу останнього, який з'єднаний з мікропроцесорним контролером через десятирозрядну вихідну шину, сенсор струму, послідовно підключений до вимірювального кола, принцип роботи якого заснований на ефекті Холла, вихід якого з'єднаний з третім входом аналого-цифрового перетворювача, цифровий потенціометр, вхід якого підключений до виходу сенсора струму, персональний комп'ютер. Недоліки зазначеного пристрою: необхідність розриву ліній електропередач чи кабельних ліній для підключення первинних кіл датчиків струму, що може вивести з ладу роботу електричної мережі; підключення до мережі джерела живлення, що необхідно для забезпечення живлення елементів пристрою; відсутність контролю напруги мережі. Відомий пристрій [патент UA 6957, G01R 19/25, 16.05.2005, бюл. № 5, Пристрій контролю параметрів якості електроенергії, Новіков Д.В., Перехрест С.Г.], до якого уведено три однакових вхідних перетворювачі, на інформаційні входи яких подаються контрольовані сигнали напруг відповідних фаз, управляючі входи вхідних перетворювачів через уведений блок гальванічної розв'язки з'єднано з масштабуючими виходами системного контролера, інформаційні входи та сигнали керування якого підключено через блок гальванічної розв'язки до управляючих ланцюгів та виходів відповідно першого, другого та третього аналого-цифрових перетворювачів, на входи яких подаються сигнали з відповідних виходів вхідних перетворювачів, а до системного контролера додатково підключено блок інтерфейса RS-485 і через системну магістраль - FLASH-пам'ять, високошвидкісний оперативний запам'ятовуючий пристрій та енергонезалежний оперативний запам'ятовуючий пристрій. Недоліками даного технічного рішення: наявність гальванічного зв'язку аналого-цифрового перетворювача з елементами силового кола, що може привести до виводу його з ладу; стаціонарне встановлення пристрою для контролю якості електроенергії, що призводить до неможливості підключення в інших точках електричної мережі пристрою контролю параметрів електроенергії; відсутність контролю струму електричної мережі. Відоме технічне рішення блок датчиків струмів та напруг [патент UA 57653, G09B 23/18, G01R 19/25, 10.03.2011, бюл. № 5, Блок датчиків струмів та напруг для дослідження електротехнічних систем, Калінов А.П., Прітченко О.В., Патук І.І.], що містить датчики струмів, датчики напруг, джерело живлення, зовнішні клеми для підключення вимірювальних кіл, роз'єми для підключення модуля АЦП, що використовують датчики струму на ефекті Холла типу ACS, резистивний дільник напруги та спеціалізована мікросхема підсилювача із гальванічною розв'язкою типу НР78ХХ для вимірювання напруги. Недоліками даного технічного рішення є: неможливість автономного застосування для дослідження електричних параметрів систем та мереж на різних ділянках; необхідність розриву ланцюга силових кабелів чи ліній електропередач для підключення первинних вимірювачів струму електричної мережі; відсутність автономного джерела живлення, що знижує галузь використання технічного рішення та швидкість робіт з монтажу його вимірюючих елементів. Суттєві ознаки, що збігаються з корисною моделлю, що заявляється: датчики струму побудовано електромагнітних елементах що використовують ефект Холла; наявність використання резистивного дільника напруги та спеціалізована мікросхема підсилювача із гальванічною розв'язкою типу НР78ХХ для вимірювання та масштабування напруги вимірювального ланцюга. Даний пристрій вибраний як прототип. В основу корисної моделі поставлено задачу забезпечення автономного використання вимірювального комплексу без використання мережевого блока живлення з можливістю безрозривного контролю параметрів режиму електричних систем та мереж, а також при 1 UA 70050 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 забезпеченні програмним забезпеченням контролю показників якості електричної енергії в мережах змінного струму загального призначення. Поставлена задача вирішується тим, що автономний пристрій для дослідження параметрів режиму електричних мереж, виходи блоків узгодження сигналів напруги з'єднані з входами блока аналогово-цифрового перетворювача, інші входи якого приєднано до виходів блоків узгодження сигналів струму, входи блоків узгодження сигналів струму з'єднані з виходами вимірювальних струмових кліщів, входи яких магнітним ланцюгом з'єднані з фазними дротами мережі. Для забезпеченні автономної роботи входи перетворювачів постійної напруги в постійну напругу з гальванічною розв'язкою з'єднані з автономним блоком живлення, автономний блок через вихід блока аналогово-цифрового перетворювача через USB 1.1-порт з'єднано з електронно-обчислювальною машиною, яка має автономне джерело живлення та відповідне програмне забезпечення контролюють параметри режиму електричних мереж та показники якості електричної енергії. Корисна модель пояснюється наступними кресленнями: фіг. 1 - функціональна схема автономного пристрою, де прийняті наступні позначення: 1, 2, 3 - трифазна електрична мережа; 4, 5, 6 - вимірювальні кліщі з аналоговим виходом; 7, 8, 9, 14, 15 - перетворювачі постійної напруги за рівнем з гальванічною розв'язкою (DC/DC перетворювачі); 10, 11, 12 - блоки підсилювача з гальванічною розв'язкою; 13 - автономний блок живлення (акумуляторна батарея); 16, 17, 18 - блоки узгодження сигналу напруги; 19, 20, 21 - блоки узгодження сигналу струму; 22 - блок аналого-цифрового перетворення із зовнішнім USB 1.1 інтерфейсом; 23 електронно-обчислювальна машина з автономним джерелом живлення; 24 - зарядний пристрій. На фіг. 2 наведена - принципіальна схема автономного пристрою, де прийняті наступні умовні позначення: К - корпус; АБЖ - автономний блок живлення (акумуляторна батарея); X1 - роз'єм для підключення силових ланцюгів електричної мережі; Х2 - роз'єм для підключення аналогових виходів струмових кліщів; БКН1, БКН2, БКН3 - блоки контролю напруги по кожній фазі; БКС1, БКС2, БКС3 - блоки контролю струму по кожній фазі; DA 1, DA 6-DC/DC перетворювачі +5В/±15В; DА 2-DC/DC перетворювач +5В/+5В; DA 3 - мікросхема гальванічної розв'язки; DA 4, DA 5 - мікросхема прецизійного підсилювача; Х3, Х4 - роз'єми для з'єднання з аналогоцифровим перетворювачем; АЦП - аналого-цифровий перетворювач; ЕОМ - електроннообчислювальна машина з автономним джерелом живлення. Пристрій працює наступним чином. Пристрій складається з трифазної електричної мережі (1, 2, 3) (фіг. 1), дроти якої охоплюють магнітні ланцюги вимірювальних кліщів (4, 5, 6), що забезпечують гальванічне розділення силових кіл від вимірювальних, виходи 1, 2 вимірювальних кліщів з'єднано з відповідними входами 2, 3 блоків узгодження (16, 17, 18), 1 та 4 входи яких з'єднано з 1 та 2 виходами перетворювачів постійної напруги за рівнем з гальванічною розв'язкою (14), які отримують живлення від блока (13) акумуляторна батарея, що працює в автономному режимі та маєможливість дозаряду від однофазної мережі змінного струму зарядним пристроєм (24), виходи 5 блоків узгодження сигналів струму (16, 17, 18) з'єднано з входами 1-3 блока аналого-цифрового перетворення (22), вихід якого через USBпорт з'єднано з електронно-обчислювальною машиною (23). Фазні дроти електричної мережі (1, 2, 3) з'єднані з входами 2блоків підсилювачів з гальванічною розв'язкою (10, 11, 12), 1 вхід яких з'єднаний з виходом відповідного перетворювача постійної напруги за рівнем з гальванічною розв'язкою (7, 8, 9), а 3 вхід з'єднано з блоком живлення (13), входи перетворювачів постійної напруги за рівнем з гальванічною розв'язкою (7, 8, 9) з'єднані з блоком живлення (13), 4 виходи блоків (10, 11, 12) з'єднано з входами2 блоків узгодження сигналу напруги (19, 20, 21), 1 та 3 входи яких з'єднано з виходами 1 та 2 перетворювача постійної напруги за рівнем з гальванічною розв'язкою (15) вхід 3 якого з'єднано з виходом блока 13, виходи блоків узгодження сигналу напруги (19, 20, 21) з'єднано з входами 4-6 блока аналого-цифрового перетворення (22),вихід якого через USB-порт з'єднано з електронно-обчислювальною машиною (23). Варіант принципової схеми реалізації автономного пристрою наведений на фіг. 2. Вимірювання напруги відбувається шляхом підключення до фаз мережі щупів. Із іншого боку вони приєднані через роз'єм X1 до резистивного дільника (R2, R3, R4), який забезпечує зниження рівня напруги до значення придатного для подачі на вхід елемента гальванічної розв'язки (DA3). В пропонованому рішенні використовують мікросхему гальванічної розв'язки HCPL7800A, що допускає максимальний рівень вхідної напруги ±0,2В. Зважаючи на це, вибирають номінальні значення опорів R2, R3=500 кОм, R4=500 Ом зі змінним опором. На виході мікросхеми DA3 формується напруга з амплітудою ±0,5 В, яка за формою дублює напруги мережі. Частотний діапазон мікросхеми DA3 дозволяє передавати сигнал зі спотворення ±1 % в діапазоні до 80 кГц. Для підсилення вихідного сигналу мікросхеми DA3 2 UA 70050 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 здійснюється за допомогою прецизійного підсилювача DA5 з диференційною схемою ввімкнення. Як прецизійний підсилювач застосовують мікросхему КР140УД1408А. На вході мікросхеми встановлені резистори R9, R10 з номінальним опором 10 кОм, в ланцюгу зворотного зв'язку встановленні резистори R11, R12 з номінальним опором 100 кОм. Таким чином, коефіцієнт підсилення схеми дорівнює 10, що забезпечує масштабування вихідного сигналу в діапазоні ±10 В для передачі в аналого-цифровий перетворювач mDAQ. Даний варіант отримання, перетворення та масштабування сигналу напруги мережі відповідає роботі блока контролю напруги БКН1, та повторюється в інших БКН2 та БКН3. Вимірювання струму відбувається шляхом підключення до фаз мережі струмових кліщів АРРА 39Т, які мають два діапазони вимірювання струму 100 А та 1000 А. При контролі струму мережі в діапазоні до 100 А коефіцієнт перетворення вихідного сигналу складає 10 мВ/1А, при цьому похибка вимірювання складає до 2,9 %, частотний діапазон сигналу, що передається знаходиться в області від 40 до 400 Гц. При контролі струму мережі в діапазоні до 1000 А коефіцієнт перетворення вихідного сигналу складає 1 мВ/1А при цьому похибка вимірювання до струму 400 А складає до 1,9 %, в діапазоні струму від 400 до 1000 А - 2,9 %, частотний діапазон сигналу, що передається знаходиться в області від 40 до 400 Гц. Для підсилення вихідного сигналу струмових кліщів здійснюється за допомогою прецизійного підсилювача DA4 з диференційною схемою ввімкнення. Як прецизійний підсилювач застосовують мікросхему КР140УД1408А. На вході мікросхеми встановлені резистори R5, R6 з номінальним опором 10 кОм, в ланцюгу зворотного зв'язку встановленні резистори R7, R8 зі змінним опором 100 кОм. Таким чином, коефіцієнт підсилення схеми забезпечує масштабування вихідного сигналу в діапазоні ±10 В для передачі в аналого-цифровий перетворювач mDAQ. Даний варіант масштабування сигналу струму мережі відповідає роботі блока контролю струму БКС1 та повторюється в інших БКС2 та БКСЗ. Для забезпечення живлення блоків автономного пристрою передбачена акумуляторна батарея з вихідною напругою +6В на струмом 3,3 А×год. Зниження рівня напруги до +5В відбувається за допомогою послідовно увімкненого резистора R1 та паралельно підключеного стабілітрона з напругою стабілізації 5,2 В. Живлення мікросхеми DA3, що входить до складу БКН1, БКН2, БКН3 здійснюється перетворювачем постійної напруги в постійну з гальванічною розв'язкою DA2 в запропонованому технічному рішенні використовується - PC6U0505EF, на вхід якої подається напруга за акумуляторної батареї через паралельно увімкнений неполярний конденсатор С1, який знижує вплив високочастотних перешкод. Стабілізація вихідної напруги в DA2 забезпечується за допомогою полярного конденсатора С3, а зниження високочастотних перешкод здійснюється за допомогою неполярного конденсатора С4. Для живлення прецизійних підсилювачів DA5, DA4, що входять до складів БКН1, БКН2, БКН3 та БКС1, БКС2, БКС3, в структуру автономного пристрою введено перетворювачі постійної напруги в постійну з гальванічною розв'язкою DA1 та DA6 (PC6U0515ZF), які формують різнополярну напругу живлення номіналом ±15 В. Для перетворення аналогового сигналу в цифровий код до складу пристрою введено аналогоцифровий перетворювач. В представленому варіанті використовується mDAQ фірми HOLIT Data System, який містить 8 аналогових входів з діапазоном вхідної напруги ±10 В, розрядність АЦП 10 біт та частотою дискретизації 100 кГц. Аналого-цифровий перетворювач забезпечує передачу сигналів в електронно-обчислювальну машину з автономним джерелом живлення, який при забезпеченні відповідним програмним забезпеченням з автономним блоком контролює параметри режиму роботи електричних мереж. Блоки контролю та узгодження напруги, блоки узгодження сигналів струму, автономний блок живлення, аналого-цифровий перетворювач знаходяться в корпусі (К), що підвищує надійність роботи автономного пристрою та знижує електромагнітний вплив. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Автономний пристрій для дослідження параметрів режиму електричних мереж, що містить резистивні дільники напруги та спеціалізовані мікросхеми підсилювача із гальванічною розв'язкою для вимірювання напруги кожної фази мережі, виходи яких з'єднано з входами блоків узгодження, який відрізняється тим, що, виходи блоків узгодження сигналів напруги з'єднані з входами блока аналогово-цифрового перетворювача, інші входи якого приєднано до виходів блоків узгодження сигналів струму, входи блоків узгодження сигналів струму з'єднані з виходами вимірювальних струмових кліщів, входи яких магнітним ланцюгом з'єднані з фазними дротами мережі, входи перетворювачів постійної напруги в постійну напругу з гальванічною розв'язкою з'єднані з автономним блоком живлення, вихід блока аналогово-цифрового 3 UA 70050 U перетворювача через USB 1.1-порт з'єднано з електронно-обчислювальною машиною, яка має автономне джерело живлення. 4 UA 70050 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5