用於測量電氣裝置中的不平衡功率的方法和實際使用系統以及用於其校準的設備的製作方法

2023-09-10 20:41:30

專利名稱：用於測量電氣裝置中的不平衡功率的方法和實際使用系統以及用於其校準的設備的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及針對電氣設施中的不平衡現象的測量儀器的測量和校準，並且
更特別地涉及具有三條和四條導線的三相電氣系統。
背景技術：
不平衡功率是技術文獻中公知的概念，並且是量化電氣設施中的不平衡現象的影 響的量值。考慮到關於電功率而建立的不同理論，已開發了針對此不平衡功率的不同公式， 這些公式僅給出其量值， 一實數。該不平衡功率不守恆，換句話說，它不遵循能量守恆定律， 並且因此電氣設施的不平衡功率不等於對應於其每個組件元件的不平衡功率的和。這大大 限制和阻礙了其對工業實踐中的不平衡影響的測量的應用。 現在還不知道技術文獻中複數形式的不平衡功率的公式。已被本發明的創作者稱 為"不平衡功率相量"的這一量值容許通過知曉電氣設施的組件部分的不平衡來確定在該 任何電氣設施中的不平衡功率值。要求保護的測量系統和方法容許實施這一功能。
此外，在工業實踐中還不知道由無源元件形成的不平衡功率的測量儀器的校準 器。

發明內容
分別根據權利要求1、2和6，本發明涉及用於測量電氣設施的不平衡功率的方法 和系統以及用於其校準的設備。在從屬權利要求中限定該方法和系統的優選實施例。
為了實現這個，作為最基本的貢獻建立了"不平衡功率相量(imbalance power phasor)"的概念，它是一個量值，其模數是不平衡功率，並且其輻角指示相位或多個相位 (在該相位不平衡最大)以及是否電阻性負載或電抗性負載具有對該不平衡的較大影響。 該新量值是複數而不是實數，其中，其特性中的一個特性是電氣系統或設施的不平衡功率 相量等於每一個電氣系統或設施的部分的不平衡功率相量的和，這顯著地簡化了系統的總 不平衡功率值的獲得。 當前在技術文獻中不知道該"不平衡功率相量"量值，並且因此對商業設備和研究 等級處存在的設備二者的不平衡功率的測量設備都不能基於其子系統或組件部分的每一 個來獲得該系統的不平衡功率值。 本發明提供了一種用於測量電氣系統或設施的不平衡功率(被表示為具有模數 和輻角的複數的量值)的方法和系統，由此克服上面提到的限制。複數形式的不平衡功率 的公式使得對於電氣設施或系統的總不平衡功率相量有可能等於其每個元件的不平衡功 率相量的和，這樣一來，有可能從其每個組件中的不平衡值開始來獲得一部分電氣設施中 的不平衡的值和影響。 根據本發明的第一方面，其涉及一種測量電氣設施或系統的不平衡功率相量的方 法，該方法包括
i)獲取電氣設施或系統的每一個相位A、B和C的電壓(vA， vB， vc)和電流(iA， iB，
ic)的即時值，並且將它們分解成它們在基頻的分量(vA1， vB1， va)， (iA1， iB1， icl); ii)獲得電壓和電流的有效值以及電壓和電流之間的初始相位移的角度，並且從
這些有效值開始獲得每一個相位的有功功率(PA， PB， Pe)和無功功率(QA， QB， Qc); iii)從有功和無功功率開始，根據下面的表達式，獲得平衡功率相量(&):
Au
々(卩.|PA + a2PB + aPc| + 5
5 + a2QB + a5c)
其中a二 I|l2。。，且p和q是正交單位相量。
根據發明方法的一個可能的實施例，在步驟ii)中針對基頻獲得電壓有效值(VA1，
VB1， VC1)和電流有效值(IA1， IB1， IC1)以及電壓和電流之間的相位移角(^a1， 9B1, CP");並且
根據下面的表達式計算每一個相位的有功功率(PA， PB， Pc)和無功功率(QA， QB， Qc):
PA = VAi ' Iai . cos cpA1 QA = VAi lAi ' sin cpA1
Pb = VBi Ibi ■ cos cpBi Qb = VB1 lBi ■ sin cpBi
Pc = VC1 . lCi cos cpc1 Qc = VCi . lci . sin cpc1 可替換地，在步驟ii)中獲得針對基頻正序列和基頻電壓的有效值(VA1+，VB1+，VC1+) 和電壓和電流(IA1， IB1， Ia)之間的相位移角沖ah， CPB1+， CPch);並且根據下面的表達式計
算每一個相位的有功功率(PA， PB， Pe)和無功功率(QA， QB， Qc):
Pa = VAi+ lAi . cos cpAi+ Qa = VAi+ Iai ■ sin (pA1+
Pb = VBi+ ■ Ibi cos cpBi+ Qb = VBi+ ■ Ibi ■ sin cpBi+
Pc = VCi+ lci . cos cpci+ Qc = VCi+ lei ■ sin (pCi+ 根據本發明的第二個方面，其涉及用於測量電氣設施或系統的不平衡功率的系 統，該系統包括-獲取模塊，其被配置成用於獲取所述電氣設施的每個相位AJ丄的電壓(va， vb， vc)和電流(iA， iB，ic)的即時值；-分析模塊，其被配置成用於針對基頻獲得電壓的有效值(VA1，VB1，Va)和電流的有 效值(IA1， IB1， IC1)以及電壓和電流之間的相位移角沖a1, <PB1, CP");-有功和無功功率模塊，其被配置成用於獲得對於每一個相位的有功功率(PA， PB， Pc)和無功功率(QA， QB， Qc);-相量模塊，其被配置成根據下面的表達式從有功和無功功率的值開始獲得極形 式或二項式形式的複數或不平衡功率相量(&):
=々(5 . |PA + a2PB + aPc
+ q
5 + 325B + s5c) 其中a二 I|l2。。 ，p和q是正交單位相量。 根據本發明的優選實施例，有功和無功功率模塊根據下面的表達式計算這些功Pa = VA1 lAi ■ cos cpA1 Qa = VAi lAi . sin cpAi
Pb = VB1 lBi ' cos cpBi Qb = VBi ■ Ibi ■ sin (pBi
Pc = VC1 . IC1 . cos cpci Qc = VCi . lei sin cpc1 根據另一個可能的實施例，該系統另外還包括對稱模塊，其被配置成針對 基頻獲得正序列和基頻電壓有效值(VA1+， VB1+， Va+)以及電壓和電流之間的相位移角 (CpA1+， CpB1+， (Pcu);並且在這種情況下，有功和無功功率模塊根據下面的表達式計算它
們
Pa = VAi+. lAi cos cpA1+ QA = VA1+. lAi . sin cpA1+
PB = Vbi+ Ibi cos cpsi+ Qb = Vbi+ ■ Ibi ■ sin q>Bi+
Pc = VC1+. lCi cos cpc1+ Qc = VCi+ lei ■ sin cpci+ 該系統還優選地包括顯示模塊，其被配置成表示在構成該系統的不同模塊中獲得 的或由構成該系統的不同模塊使用的一個或多個量值。 根據本發明的另一個方面，其涉及用於測量電氣設施或系統的不平衡功率的系 統，該系統包括-穩定的、平衡的和正弦三相供電電源，其負責供應能量，該能量對應於因不平衡 而引起的低效率；以及-由無源元件、線圈和電容器形成的至少一個標準不平衡電路或由電子轉換器形 成的其等價物，這些元件的值是不平衡功率相量的模數的函數，這如上面所指示的那 樣計算。 用於不平衡功率的標準電路或多個電路吸收被校準成預設置的值的不平衡電流。
與無論是否可在市場上獲得的不適合用於工業情形的其它可能的電子校準器相 比，這些校準設備有助於不平衡功率測量的簡化、經濟以及物理基礎。


為了補充將要進行的描述並且為了實現便於更好地理解本發明的特性的目的，根
據本發明的實際實施例的優選實例，在說明而非限制的基礎上，在下面描繪了包括為本說
明書的一個集成部分的一組附圖 圖1是示出發明方法的操作序列的示圖； 圖2是描繪用於測量本發明的不平衡功率相量的設備的可能實施例的示圖； 圖3是描繪不平衡功率的校準器的可能結構的示圖； 圖4是描述用於獲得不平衡功率相量的可能方法的示圖； 圖5是用於確定不平衡功率相量的可能可替換方法的示圖；以及 圖6是示出對校準不平衡功率的標準的布置的示圖。
具體實施例方式
如圖l所示，作為本發明的目標，一種用於測量電氣設施中的不平衡功率相量的 方法的可能實施例包括下面的操作-數字處理1由物理系統6(見圖2)獲得的採樣信號以用於測量和獲取來自設備的電信號，對於每個相位獲得基頻處電壓和電流的初始相位和有效值的矩陣，對於電壓和 電流的每個相位具有總共六個矩陣。-利用這些矩陣，獲得(在3中)具有用於正序列電壓的矩陣的正序列分量的有效 值和初始相位的矩陣。-從針對基頻的電壓和電流的有效值和初始相位的矩陣開始，對於每個相位獲得 有功和無功功率2。-從有功和無功功率開始，根據下面進一步陳述的表達式[1](在4中)獲得不平 衡功率相量。-在顯示設備中顯示5在該方法期間所使用的不平衡功率相量的圖形和數字信息 以及物理量值的某些值。 如圖2所示的用於實踐測量方法的設備由用於測量和獲取電信號的物理系統 6(硬體)和用於測量電功率的程序構成。 物理系統6包括用於電壓和電流的一些測量傳感器8，其測量它們的即時值；一 些信號調節器9，其使來自每個傳感器的次級的電流適應於獲取卡的模擬輸入端的適用電 壓；將用於電壓和電流的模擬信號轉換成被用作測量程序中的輸入的一系列離散採樣的所 述獲取卡IO或等同設備；具有母板的處理系統ll，在所述母板中插入所述獲取卡10以使 得電壓和電流信號的離散採樣可以被變換成測量程序7 ;以及觸控螢幕或顯示設備12，在其 中顯示波形上的所有信息以及與不平衡功率相量的測量相關的所有電量值的值電壓、電 流、有功和無功功率、對稱組件以及能量的不平衡功率相量。
測量程序7包括下面的模塊 _獲取模塊13，其獲取電壓和電流的採樣並且將它們存儲在用於它們中的每一個 的向量。-分析模塊14，其基於在先前模塊中獲得的採樣獲得對於基頻的以有效值以及相 位的形式的電壓和電流的矩陣；還通過數值積分獲得每個相位的所有電壓和電流的有效值。-對稱模塊16，其基於在先前模塊中獲得的矩陣獲得針對基頻的以電壓的有效值 以及電壓相位的形式的正序列分量的矩陣。-有功和無功功率模塊15，其負責為電氣設施的每種類型的拓撲結構獲得有功和 無功功率的值。-不平衡功率相量模塊17，其負責獲得不平衡功率相量的值。 此外，說明上述的典型應用是在城鎮或工廠的一個轉換中心中獲得不平衡功率相 量的過程。 圖4示意性地示出了對於所述量值的一個可能的計算過程。記錄不同相位的電壓 (vA，vB，Vc)和電流(iA，iB，ic)的即時值，並且被分解成其在基頻50/60Hz處的分量(vA1，vB1， va)， (iA1， iB1， id)，並且分解成其諧波分量。然後，獲得基頻相位電壓和電流的有效值以及 相位移角(V^，V爐Vd)、(lM，lM，Id)、(9A1, cpB1, cpcO。利用這些值，根據下面的表達式獲得
每個相位的有功功率(PA， PB， Pc)和無功功率(QA， QB， Qc):

Pa = VAi , lAi ■ cos cpA1 QA = VAi . Iai . sin cpA1
Pb = Vbi ' Ibi . cos 9bi Qb = Vbi Ibi ■ sin cpsi
Pc = Vci ■ lei cos cpci Qc = Vci ■ lei ■ sin cpCi
最後，將每個相位的有功和無功功率代入到下面的不平衡功率相i
的表達式
formula see original document page 8
該表達式是原始的，並且其中a二 I|l2。。，而p和q是正交單位相量, 如圖5圖解地示出，用於利用非常好的近似而獲得不平衡功率相:
formula see original document page 8替換方法包括從基頻相位電壓的對稱分量開始計算每個相位的有功和無功功率。對於上
面的情況，記錄不同相位的電壓(vA， vB， vc)和電流G
。)的即時值，並且分解成其
在基頻50/60Hz處的分量(vA1， vB1， vei)， (iA1， iB1， ij，並且被分解成其諧波分量。應用 Stokvis-Fortescue的表達式，獲得正序列和基頻電壓有效值(VA1+， VB1+， Vd+)，以及這些電
壓和基頻電流的相位移角^a"， 9b"， 9"+);並且從這些開始，根據下面的表達式獲得有
功功率(PA， PB， Pc)和無功功率(QA， QB， Qc):
formula see original document page 8隨後將它們代入到不平衡功率相3 formula see original document page 8:的表達式[l]中。 最後，測量程序7包括顯示模塊18，其負責在屏幕上表示不平衡功率相量的圖形 和數值信息，以及物理量值的值，例如電壓和電流的有效值；每個相位的有功和無功功率； 基頻處的對稱分量。 圖3示出了用於不平衡功率的測量儀器的校準器21的可能實施例。它由三相供 電電源19和用於測量不平衡功率20的標準電路構成。 供電電源19是負責供應能量的設備，該能量對應於因不平衡而引起的低效率。它 是頻率50/60Hz的穩定三相電源。 不平衡功率20的標準不平衡電路是無源設備，其包括由電子轉換器形成的線圈 和電容器或其等同物，其吸收被校準成預設置的值的不平衡電流和功率。在圖6中示出了 不平衡功率20的標準的優選配置，並且組成該配置的元件的可能的值如下面所示 formula see original document page 8



formula see original document page 8
其中Au是不平衡功率。
已根據其優選實施例描述了本發明，但是對於本領域的技術人員來說顯而易見的
是，可以在不超過本發明所要求的目標的情況下，引入對那些優選實施例的許多變化c
權利要求
一種測量電氣設施或系統的不平衡功率的方法，該方法包括i)獲取電氣設施或系統的每一個相位A、B和C的電壓(vA，vB，vC)和電流(iA，iB，iC)的即時值，並且將它們分解成它們在基頻的分量(vA1，vB1，vC1)，(iA1，iB1，iC1)；ii)針對基頻，獲得電壓有效值(VA1，VB1，VC1)和電流有效值(IA1，IB1，IC1)以及電壓和電流之間的初始相位移角iii)從在先前步驟中獲得的這些針對基頻的有效值開始，根據下面的表達式，獲得針對每一個相位的有功功率(PA，PB，PC)和無功功率(QA，QB，QC)或可替換地，從所述針對基頻的有效值開始，獲得針對基頻的正序列和基頻電壓有效值(VA1+，VB1+，VC1+)以及電壓和電流之間的相位移角，並且根據下面的表達式獲得每一個相位的有功功率(PA，PB，PC)和無功功率(QA，QB，QC)以及iv)從有功和無功功率開始，根據下面的表達式獲得(4)不平衡功率相量(AU) A U= 2 ( p | PA + a2 PB + a PC | + q | Q A + a2 Q B + a Q C | ) 其中a＝I|120°，p和q是正交單位相量。F2008800229155C00011.tif,F2008800229155C00012.tif,F2008800229155C00013.tif,F2008800229155C00014.tif,F2008800229155C00015.tif,F2008800229155C00016.tif,F2008800229155C00017.tif,F2008800229155C00018.tif,F2008800229155C00019.tif,F2008800229155C000110.tif,F2008800229155C000111.tif,F2008800229155C000112.tif,F2008800229155C000113.tif,F2008800229155C000114.tif
2. —種用於測量電氣設施或系統的不平衡功率的系統，該系統包括-獲取模塊(13)，其被配置成用於獲取所述電氣設施的每個相位A、B、C的電壓(vA，vB，vc)和電流(i,。)的即時值；-分析模塊(14)，其被配置成用於獲得針對基頻的電壓有效值(VA1， VB1， Va)和電流有 效值(IA1， IB1， IC1)以及電壓和電流之間的相位移角沖a1. cpb1， (PcO;-有功和無功功率模塊(15)，其被配置成用於獲得每一個相位的有功功率(PA， PB， Pc) 和無功功率(QA， QB， Qc);-相量模塊(17)，其被配置成從有功和無功功率的值開始，根據下面的表達式獲得極 形式或二項式形式的複數或不平衡功率相量(&):formula see original document page 2其中a = I|l2。。，而P和q是正交單位相量。
3. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於所述有功和無功功率模塊(15)根據下面的 表達式計算這些功率formula see original document page 2
4. 根據權利要求2所述的系統，其特徵在於該系統還包括對稱模塊(16)，其被配置成 針對基頻，獲得正序列和基頻電壓有效值(VA1+， VB1+， VC1+)以及電壓和電流(IA1， IB1， IC1)之間的相位移角沖a"， 9b"' 9d+);而且特徵在於，所述有功和無功功率模塊(15)根據下面的表達式計算它們formula see original document page 3
5. 根據權利要求2-4中的任一項所述的系統，其特徵在於該系統還包括顯示模塊 (18)，其被配置成表示在構成該系統的不同模塊中獲得的或由構成該系統的不同模塊使用 的一個或多個量值。
6. —種用於電氣設施或系統的不平衡功率的測量儀器的校準器設備(21)，該校準器 設備包括-穩定的、平衡的和正弦的三相供電電源(19);以及-由無源元件、線圈(Lip，Lhp)和電容器(Cip，Chp)形成的至少一個標準不平衡電路(20) 或由電子轉換器形成的其等價物，這些元件的值是不平衡功率相量的模數的函數，該 不平衡功率相量(&)如先前任何一項權利要求所指示的那樣被計算。
全文摘要
用於測量電氣裝置或系統的不平衡電位的方法和實際應用系統包括i)獲取該裝置的每個相位A、B和C的電壓(VA，VB，VC)和電強度(iA，iB，iC)的即時值，並且將它們分解成它們的基頻分量(VA1， VB1，VC1)，(iA1，iB1，iC1)；ii)獲得有效電壓和強度值以及電壓和強度之間的初始相位差的角度，並且根據這些有效值獲得每個相位的有功(PA，PB，PC)和無功(QA，QB，QC)電位；iii)根據下面的表達式通過有功和無功電位，獲得(4)相量不平衡電位其中a＝1|120°，而p和q是正交單位相量。本發明還涉及用於校準(21)測量該不平衡電位的儀器的設備。
文檔編號G01R17/00GK101720439SQ200880022915
公開日2010年6月2日 申請日期2008年4月30日 優先權日2007年4月30日
發明者A·卡佐爾拉納瓦羅, J·吉納加西亞, J·蒙塔納納羅米, V·利昂馬蒂尼茨 申請人:瓦倫西亞理工大學