电压频率

电压频率（精选6篇）

电压频率 篇1

在智能测量系统及自适应信号处理系统中, 经常需要将频率信号转换为电压信号或将电压信号转换为频率信号[1,2,3,4]。但是由于频率/电压转换芯片自身性能的限制, 所设计的频率/电压转换电路能转换的频率范围一般比较小, 很难处理频率比较高的信号。因此, 为了解决这些问题, 必须对频率/电压转换电路所允许输入信号的频率范围进行扩展。

现阶段实现宽频频率/电压转换电路的方法是直接利用宽频频率/电压转换芯片, 例如ADI公司生产的基于ΣΔ技术的频率/电压转换芯片AD7740、AD7741、AD652、AD654、AD650及ADVFC32等[5,6]。但是这些芯片构成的频率/电压转换电路的允许频率范围最大也只有3 MHz左右, 而且芯片的成本较高, 构成的电路结构比较复杂, 功耗较大。本文提出了一种利用分频及放大原理对LM331的频率转换范围进行扩展的方法, 设计了一种宽频频率/电压转换电路, 解决了一般频率/电压转换芯片转换频率低的问题。

1 硬件电路设计

1.1 系统框图

基于LM331的宽频频率/电压转换电路的系统结构框图如图1所示, 它由主控电路、分频电路、频率电压转换电路、放大电路四部分组成。主控电路采用AT89S52单片机作为主控芯片;分频电路采用高速双D型触发器、十进制同步加/减计数器、双4选1数据选择器来实现;频率/电压转换电路由频率/电压转换芯片LM331及一些电阻电容构成;放大电路由运算放大器、双向模拟开关及电阻网络来实现。

为了实现宽频频率电压转换, 首先将整形后待处理信号经400分频后, 由AT89S52单片机测量信号频率并选择合适的分频比, 控制分频电路重新对整形后的信号进行分频;同时单片机控制放大电路产生相应放大倍数的信号, 重新分频后的信号经过频率/电压转换电路转换为电压信号, 最后经放大电路放大相应的倍数后输出以完成宽频频率/电压转换。

1.2 基于LM331的宽频频率电压转换电路的设计

1.2.1 频率/电压转换

频率/电压转换就是把输入的脉冲信号转换为电压信号输出的一种电路。输出的电压与输入的脉冲频率成线性关系, 并可通过测量其输出端的电压值来间接测量输入的脉冲频率。频率/电压转换电路由专用的频率/电压转换芯片LM331及少量的电阻电容组成。

LM331外接电路简单, 只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等变换电路, 并且容易保证转换精度。LM331构成的频率/电压转换电路如图2所示, 经放大整形后的信号Fi1经过R1、C3组成的微分电路加到LM331的6脚。当Fi1的下降沿到来时经过微分电路将在6脚产生负向尖峰脉冲, 当负向尖峰脉冲大于VCC/3时LM331的内部触发器将置位, 其内部的电流源对电容CL充电, 同时电源VCC通过Rt对电容Ct充电。当CL上的电压大于2VCC/3时, LM331内部的触发器复位, CL通过RL放电, 同时定时电容Ct迅速放电, 完成一次充放电过程。此后, 每经过一次充放电过程电路重复上面的工作过程, 这样就实现了频率/电压的转换。LM331输出的电压Vf1与输入信号频率Fi1的关系可表示为:

式中Rs=Rs1+Rs2。由式 (1) 可知, 只要合理调节电容值和电阻值就可以使输出电压随输入频率线性变化。

1.2.2 分频电路的设计

由于LM331最大电压转换频率为100 kHz, 要处理频率较高的信号, 首先需要对放大整形后的信号进行分频。分频电路如图3所示。分频电路主要是由高速双D型触发器74ALS74、计数器74ALS168和数据选择器74ALS153组成。当待处理信号的频率较高时, 先将其400分频后送入主控电路测量频率并选择合适的分频比, 进行不分频、4分频、40分频或400分频。这时分频电路设计的脉冲占空比为50%, 满足频率/电压转换电路要求输入脉冲信号的占空比必须为30%以上的要求。

1.2.3 程控放大电路的设计

待处理信号经分频电路分频并完成频率/电压转换后, 需程控放大电路按照相应的分频比对电压信号进行放大。程控放大电路如图4所示, 该电路由运算放大器OP37、4双向模拟开关CD4066及电阻网络构成。主控芯片AT89S52单片机通过写不同的控制字控制模拟开关选择合适的电阻网络, 从而调节放大电路的放大倍数。

该电路的特点是把电阻网络及模拟开关接在运算放大器的反相输入端之前, 使得模拟开关的电阻对放大倍数几乎没有影响。在运算放大器的1引脚和8引脚接Rp用于实现运算放大器的调零。该电路可以实现不放大、放大4倍、放大40倍、放大400倍。

2 软件设计

程序流程图如图5所示, 系统上电完成器件初始化后, 等待启动键K2按下。当K2键按下时启动频率测量, 当待测频率变化时单片机进行参数计算并通过P1口输出合适的控制字, 控制分频电路和放大电路选择对应的分频比和放大倍数对信号进行相应的处理。当结束键K3按下时系统停止工作, 否则重复前面的步骤。

当单片机测得信号的频率在75 kHz~10 kHz之间时, 信号将被400分频后输入频率/电压转换电路, 同时放大电路会选择放大400倍的档位;当测得信号的频率在10 kHz~4 kHz之间时, 信号将被40分频后输入频率/电压转换电路, 同时放大电路会选择放大40倍的档位;当测得信号的频率在4 kHz~250 Hz之间时, 信号将被4分频后输入频率/电压转换电路, 同时放大电路会选择放大4倍的档位;当测得信号的频率小于250 Hz时, 待处理信号不分频直接输入频率/电压转换电路, 同时放大电路变成了电压跟随器, 不对待处理信号进行放大。

3 实验结果

3.1 低频频率/电压转换电路实测结果

在实验中当信号频率较低时, 可将整形后的信号直接加入频率电压转换电路, 而不经过分频电路。直接选取Rt=910Ω, RL=19 kΩ, Rs=14.5 kΩ, Ct=0.01μF, 当输入信号的频率小于100 kHz时, 测得的实验结果如表1所示。

3.2 宽频频率/电压转换电路实测结果

在实验中, 选取Rt=910Ω, RL=190Ω, Rs=14.5 kΩ, Ct=0.01μF。当输入信号频率范围在100 kHz~30 MHz之间时, 测得的实验结果如表2所示。

比较分析以上结果可知, 利用分频电路和放大电路可以实现基于LM331的频率/电压转换电路频率范围的扩展, 有效地解决了现有频率/电压转换芯片转换频率不高的问题。但是该电路在信号频率较小时, 转换后的电压误差较大, 这可能是由于频率/电压变换系数较小的原因。

本文设计实现的基于LM331的宽频频率/电压转换电路利用由高速双D型触发器74ALS74、计数器74ALS168和数据选择器74ALS153组成的分频电路以及由运算放大器OP37、4双向模拟开关CD4066和电阻网络构成的放大电路对LM331的频率/电压转换范围进行了扩展。设计的宽频频率/电压转换电路所允许输入信号频率范围为1 kHz~30 MHz, 电路结构简单, 成本低, 功耗小, 可以应用于传感器测量、电机的转速测量、自适应信号处理等领域, 具有良好的应用前景。

参考文献

[1]KOUTROULIS E, KALAITZAKIS K.Development of an integrated data-acquisition system for renewable energy sources systems monitoring[J].Renewable Energy, 2003, 1 (28) :139-152.

[2]Sun Yao, Li Zhenfeng, Zhao Shuang.Research on key technology of well-ground ERT transmitter[J].Procedia Engineering, 2012 (29) :1099-1106.

[3]SIMONETTA S H, GOLOMBEK D A.An automated tracking system for caenorhabditis elegans locomotor behavior and circadian studies application[J].Journal of Neuroscience Methods, 2007, 2 (16) :273-280.

[4]REN T J, CHEN T C.Robust speed-controlled induction motor drive based on recurrent neural network[J].Electric Power Systems Research, 2006, 12 (76) :1064-1074.

[5]徐柯, 秦建军, 张厚, 等.3 V/5 V低功耗同步电压频率变换芯片AD7740[J].国外电子元器件, 2001 (2) :35-38.

[6]罗毅, 李莺, 姚毅, 等.基于AD652的高精度数据采集系统[J].四川理工学院学报, 2011, 3 (24) :338-340.

电压频率 篇2

随着计算机软件技术的快速发展,很多传统的测量仪器都可以被计算机所替代,比如电压表,滤波器,示波器,信号发生器等。这些传统的器件价格昂贵,技术更新比较慢且不易携带,已经不适应现代实验室的发展,为了提高教学质量和实验效率,引入虚拟仪器的概念应用到实验室的测量基础中去。

虚拟仪器是随着计算机发展来的一种新的测量技术,和传统的测量仪器相比虚拟仪器不完全是由硬件组成的,还包括软件集成部分。计算机测量信号电压和频率的实现方法其实就是利用这种技术,由于现在的计算机价格便宜性能较高,这种方法很容易实现和普及,大大减低的实验的成本和难度。

2 实现方法

计算机测量电压频率信号的实现方法有硬件和软件两个部分组成,其中硬件是由数据采集系统和调理电路来实现,软件是由Labview来实现的。

2.1 数据采集系统

电压频率的测量是利用数据采集功能来实现的,在计算机中声卡就是一个很好的数据采集系统,输入端口就是音频插孔,所以连接线可以采用双头的3.5mm插孔音频的连接线。在Labview软件中的底层就包含着声卡的函数就,这是用声卡作为采集系统的主因,声卡采集数据的流程图1如图所示,其中SI Config是设置声卡的硬件参数,SI Clear表示用于数据的清理,SI Start表示声卡开始采集数据,SI Read表示等待缓冲区消息,SI Stop表示声卡停止采集。

2.2 信号调理电路

信号的采集是利用计算机的声卡来实现的,所以对声卡的保护是必要的,所以在输入端需要加入保护电路如图2所示,输入端如果是大于1V的信号,通过10K560的压敏电阻,使得内阻急剧下降导通,使得工作电流增加,起到了保护电路的作用。

2.3 Labview软件

利用计算机测量电压数据采集和结果显示在labview软件所设计的界面上。Labview是一种图形化语言,它是由前面板和后面板组成。前面板放置的是labview的控件,控件就是界面的控制端口,包括开关,图形显示,输入值等。后面板放置的是labview函数,像C语言中的While Loop,For Loop,Case结构都可以在labview函数库找到相应的图形。

Labview界面的设计原理就是利用Labivew的函数库放在后面labview的控件放在前面板上如图3-a和3-b所示,左边部分就是Labview界面的程序(后面板),右边部分是程序图对应的前面板,我们看到的测量结果显示在前面板上的。信号的测量结果包括采样频率,信号频率,均值电压,直流分量等。

数据采集的参数可以由Labview中Windows底层编写与声卡有关的函数来实现,如图4-a所示外面的方框为while函数,方框里面包含着Sound Input read.vi(读取声音模块),方框外部Sound Input Clear.vi(声音输入清零模块)。为了满足不断采集需求,使用Windows底层函数可以直接与声卡驱动程序相连接,可以直接的进行访问,而且封装程序低,速度快,采集缓冲区中每个位置的数据,具有较强的灵活性。程序框图对应的是系统的前面板如图4-b所示。

3 结果分析

利用信号发生器产生1V的正弦信号[6],采样频率为50KHz/S,频率为100Hz,通过连接线输入到计算机的输入端,测量电压的结果如图5所示:信号频率为100HZ,采样频率为50000KZ,交流电压有效值为1.44。实验结果表明测量结果正确。

4 结论

利用计算机测量电压信号这是个全新的概念,由于计算机本身的特性,可以在不改变硬件的条件,通过改变其软件的功能就可以实现不同的测量特性。利用图形化编程工具Labview的特点(界面生动、形象,方便操作)如可以缩短仪器设计的开发周期,并且在教学过程[7]中可以提高学生们学习兴趣,对相关仪器的了解,大大提高了教学质量。

参考文献

[1]林君,谢宜松.虚拟仪器原理及应用[M].北京:科学出版社,2006.

[2]张凯,周陬.Lab VIEW虚拟仪器工程设计与开发[M]。北京:国防工业出版社,2004.6:2-4

[3]赵贤凌等.声卡在虚拟仪器采集系统中的应用[J]科技情报开发与经济2008

[4]杨乐平,李海涛,赵勇,杨磊,安雪没.Labview高级程序设计[M].北京:清华大学出版社,2003:22-160

[5]陶沙,吴允平.基于Labview的数字滤波器的设计与仿真[J].福建电脑,2011年

[6]黄仕凰.Lab VIEW软件在模拟电路实验中的应用[J].大学物理实验.2011(02)

电力系统频率及电压降低时的处理 篇3

1 频率的调整

电力系统的频繁应经常保持50周/s。其偏差要求是:在300万千瓦以上的系统不得超过±0.2周/s;不足300万千瓦的系统不得超过±0.5周/s。

频繁发生变化, 是由于系统中发电机的功率和用户的负荷不平衡所引起的。当系统负荷增加或发电机出力减少时, 频繁就要下降, 相反, 将会升高。由于电力系统的负荷经常不断地变化, 又由于发电机功率的改变往往受原动机的影响而不能完全适应系统负荷的变化, 因此频繁的波动是不可避免的。

在电力系统中, 为了保证频繁的稳定, 中心调度通常将发电厂分为第一调频厂、第二调频厂及负荷监视厂三类, 并事先给予各发电厂日负荷曲线。调频厂的主要任务是及时调整系统的频繁, 使它保持在允许范围内。为了完成这一任务, 调频厂经常在高峰负荷到来前要开炉并机, 而在低峰期间停机压炉。若在条件时, 调频厂选为水电厂较为理想。因为水轮发电机组, 从起动到并列带上满负荷, 只需1.5min~2min时间。各负荷监视厂, 同样必须按调度员预发的负荷曲线来调整。只有全网各发电厂互相配合, 才能保证频繁在允许范围之内。

频繁的调整, 一般采用人工调节, 即当系统频率降低时, 值班人员应向增加方向操作调速开关, 开大汽轮机的调速汽门, 增加其进汽量, 从而使频率增加, 当系统频率增高时, 操作方向相反。

2 电力系统频率降低的处理

当电力系统频率降低时, 应按下列程序进行处理。

(1) 当电力系统的频率低至49.5周/s以下, 但在48周/s以上时, 各发电厂值班人员无须等待调度员的命令, 应自行增加发电厂出力。直至频率恢复到49.5周/s以上, 或达到发电厂运行中机组的最大可能出力为止, 同时并应将此事报告值班调度员。对于与系统联系较弱的发电厂, 增加出力可能使联络线过负荷, 则应根据联络线极限允许负荷增加其出力。

与此同时, 值班调度员应命令将备用容量投入运行。若系统中所有备用容量均已投入运行, 而频繁仍未恢复至49.5周/s以上时, 庆立即与用户联系, 停用部分用电设备。若限制负荷后不能使频率恢复至规定值, 则值班调度员应下令切断部分负荷, 使频率低于49.5周/s的持续时间不超过30min, 或低于49周/s的持续时间不超过15min。

(2) 当频率降低至规定值时 (如48.5周/s以下时) , 值班人员应检查频率自动减负荷装置的动作情况。当该装置在整定频率数值下没有动作时, 应立即手动切断送电线路。当系统中没有装设低频自动减负荷装置或装置容量不足时, 发电厂值班人员应按调度部门的事先规定, 立即自动切断部分送电线路。

(3) 当电力系统频率降低至足以破坏火力发电厂厂用电系统的安全运行时, 一般在46周/s左右, 各发电厂值班长可以按现场规程的规定, 将专用的厂用电发电机或将事先规定的供厂用电及部分重要用户的一台或数台发电机与系统解列, 而无须得到值班调度员的许可。当厂用机组与系统解列后, 待电力系统频率达到48.5周/s以上时, 应尽快将厂用电机组与系统恢复并列。

3 电压的调整

系统用电的电压是供电质量标准之一。为了保证供电的电压质量, 系统电压应维持在额定值运行, 实际上, 运行中系统的电压不可能始终保持在额定值。系统负荷不断变化, 电压也随之变化。一般规定系统运行电压的变动范围不超过±5%, 最低不应低于额定值90%。如超过电压变动范围, 运行人员应进行调整, 使系统电压维持在允许变动范围内。

电压的变化是系统中无功功率失去平衡的反应。当用户所需要的无功功率超过电源发出的无功功率时, 电压就下降。反之就会升高。

在电力系统中电压降低是经常发生的, 它对电气设备的危害性很大, 归纳起来有以下几个方面。

(1) 发电机在低于额定电压下运行时, 要维持同样的出力, 定子电流就必然增加, 增加的程度略大于电压下降的百分数。如果定子线圈电流在额定电压下已达额定值, 电压降低后要维持有功出力不变, 那么发电机的无功出力将随电压降低而减少。理论分析, 电压降低1%无功出力降低3%。

(2) 静电电容器的出力与电压的平方成反比, 因此在电压在一定范围内降低1%, 其出力减少2%。

(3) 线路损耗受电压的影响较大, 它与电压的平方反反比。在一定范围内, 电压降低1%, 线路的有功和无功损耗将增加2%。

(4) 发电厂与用户的交流电动机, 若定子电流增加, 则会因电动机长期过负荷运行而烧坏;另外, 异步电机的最大转矩与电压的平方成正比, 当系统电压低到额定值的70%时, 在满负荷情况下, 电动机就会停止转动。

综上所述, 当系统的无功电源发出的无功功率不能满足用户负荷需要时, 电压就要降低。系统电压降低后, 发电机、调相机和静电电容器的出力也降低, 交流电动机会停转或烧坏, 电网损耗会显著增加, 因此, 在系统无功不足的情况下, 应设法提高发电机端电压和主系统的电压, 以保证用户的电能质量。

在电力系统中, 为了保证电压质量, 必须进行电压调整, 使系统的无功功率保持正常的平衡。

调度员为了监视系统的运行电压, 应选择地区负荷集中的发电厂和变电站的母线作为监视系统电压的中枢点, 中枢点的正常电压值和允许电压变动范围是按用户电压质量要求来确定的。因此, 此点的电压确定后, 系统中其他处的电压也随之确定。

调度是应经常监视系统中枢点的电压和规定电压曲线的发电厂、变电站的母线电压。当上述母线电压超出允许变动范围时, 调度员应采取下列措施。

(1) 增加或减少该区的调相机负荷;

(2) 改变带负荷调压变压器的分接头位置;

(3) 投入或切除安装在变电站内的静电电容器;

(4) 改变系统运行方式, 达到潮流分布合理, 使电压得以改善;

(5) 经上述方法不能满足要求时, 应减少或增加地区负荷。

电厂值班人员, 应根据规定的电压曲线要求进行监视及调整。发电机的自动励磁装置应经常投入运行, 如未有自动电压调整器者, 值班人员应及时进行手动调整, 以保证电压的稳定。

装有同期调相机或带有负荷调压变压器的变电站值班人员, 应根据规定的电压曲线进行监视和调整, 使电压保持在允许变动范围内。没有调压设备的变电站, 值班人员应经常进行电压监视, 发现电压有异常情况应立即报告系统调度员, 以便及时采取措施, 使电压恢复到正常范围内。

4 系统电压降低的事故处理

电压下降可能与频率下降同时发生, 也可能单独出现。这两种情况都是由于系统无功不足所引起的。

假如电压下降与频率下降同时发生, 则提高频率所采取的措施也可用于提高电压。

发电厂和装有调相机的变电站, 当母线电压超过规定的变化范围时, 值班人员应不待调度员的命令, 自行调整发电机和同期调相机的励磁;使母线电压恢复到正常范围内。若发电机和调相机已带满负荷而母线电压仍低于允许变动范围时, 应报告值班调度员迅速处理。

为了保证系统的静态稳定, 调度部门应对系统中若干中枢点规定事故极限电压值。当各点电压下降到此值时, 值班人员应利用发电机和调相机的事故过负荷能力, 增加无功出力以维持电压, 为消除上述过负荷, 必要时可限制或切除部分负荷。

在运行中, 当发电机或调相机过负荷时, 值班人员可以降低励磁电流以减少或消除过负荷。但应注意, 不得使电压下降到事故极限值以下。电压降至事故极限值而发电机或调相机仍过负荷时, 应根据过负荷的多少采取下列不同措施。

(1) 如果过负荷小于15%, 应首先将过负荷的情况及时报告, 由调度员负责处理。同时, 电厂或变电站的值班人员可将备用机组投入, 消除过负荷, 但不允许降低有功出力或进一步降低励磁电流。系统调度员应利用系统中所有无功和有功的备用容量来消除上述过负荷。如过负荷的发电厂位于系统中的受电端, 那么由另一端经长距离重负荷向本地区送电时, 降低过负荷发电机的有功出力不仅不能降低过负荷, 而且还会引起静态稳定的破坏。因此, 在这种情况下, 应该限制或切断受电端用户的负荷。

(2) 如果过负荷大于15%而频率正常时, 电厂或变电站的值班人员应及时向调度员报告, 同时自行采取措施, 在事故过负荷允许的时间内, 将过负荷消除。此时, 若过负荷的电厂是送电端, 可降低发电厂的有功出力;若是受电端, 可切断用户负荷。当电厂内无地区负荷切断时, 可根据调度员的命令将附近变电站的部分用户切断。当电压降至极限值而过负荷仍然存在时, 应迅速采取措施, 利用系统中的一切备用无功容量来提高电压消除过负荷。此时可将个别发电厂和变电站电压提高到最高允许值。

(3) 当系统电压降低至足以破坏火力发电厂厂用系统的安全运行时, 应采取紧急拉闸措施, 保证发电厂的安全运行。

(4) 在系统中对负荷比较集中的电压中枢点, 调度员应根据静态稳定时计算规定出极限电压, 以极限电压的108%为允许的最低运行电压。

当电压降低到极限电压的103%, 并有下降趋势时, 为防止系统电压崩溃, 调度员应采取紧急拉闸措施, 使电压不致降到允许最低电压以下。

综上所述, 当系统电压降低到事故极限电压时, 系统调度员应采取下列措施。

(1) 发电机自动调整励磁和强行励磁装置应经常投入, 因为它们是保证电压稳定的重要设备;

(2) 改变运行方式, 以进行潮流的强迫分布, 提高系统电压;

(3) 动用备用容量, 迅速开起水轮机作调相机运行, 火电厂备用机组也要做好开机准备, 同时, 应合理加入静电电容器和充分利用用户的无功补偿装置;

(4) 运用发电机、调相机的过负荷能力;

(5) 适当提高频率运行, 因为提高频率, 电压可相应增高。在一般情况下, 系统频率升高1%, 电压相应提高4%~5%, 无功出力可提高7%~10%。

(6) 按现场规定的事故拉闸顺序切断部分负荷;

(7) 投入低电压负荷装置, 自动切除部分负荷;

(8) 当系统电压降低到足以破坏电厂厂用电安全运行时, 应按事先规定将厂用发电机或专用厂用发电机与系统解列, 专供厂用电和部分重要用户。

摘要： (1) 频率及电压在系统中的重要性及降低后的危害。 (2) 频率的调整方法。 (3) 系统发生频率降低时的处理。 (4) 电压的调整方法。 (5) 系统发生电压降低时的处理。

电压频率 篇4

关键词：水电群孤网,频率,电压,进相运行,控制,稳定运行

0 引言

近年来随着可持续发展战略的实施以及对环境问题的高度关注,各地区利用其丰富的水资源开发了许多清洁无污染的水电站,中小型水力发电已经成为我国电力的重要组成部分。由于各地电网跨区互联,部分电网与主网联系薄弱,如通过单台联络变压器或者单回线路联网,联络元件一旦故障跳闸局部电网将脱离主网独立运行[1]。采用水电群孤网运行可以提高电网应对突发故障的能力,避免局部故障可能造成大面积停电事故,是主网故障发生时的应急措施。利用小水电机组立即带负荷向电网供电,既可以缩短恢复供电的时间又可以降低停电带来的巨大的经济损失。

甘南地区水电群逐级汇集升压后大功率高压外送甘肃主网。由于雷电等原因使上级并网线路出现故障,系统频率或电压越限以及失步保护动作使小水电群容易与甘肃主网解列形成孤网,孤网运行时由于系统功率不平衡导致电网频率和电压产生波动。当系统功率过剩时可能会导致电压、频率严重发生变化,从而影响系统的安全运行和电气设备的寿命与绝缘特性。

1 水电群孤网运行主要存在的问题

甘南电网位于甘肃电网东南部,是甘肃电网的末端网络,主要由洛大片电网和多合片电网组成,承担着甘南州七县一市的负荷需求同时将多余功率送入甘肃主网。甘南东部电网以330 k V多合变电站为中心,正常运行方式下通过30955临多单回线与甘肃主网连接运行,110 kV合作变、夏河变1114合临线、1115夏临线备用,其网内有大量的小水电电源。甘南多合地区就是典型的小水电群区域,小水电位于线路末端逐级汇集后经110 kV变电站升压后送至多合变电站最后通过330 kV线路送入甘肃主网。图1为多合地区电网主接线,网内有水电厂20座,变压器83台,负荷母线25条。夏大运行方式下,机组总有功出力为230.27MW,无功出力为37.5 Mvar,其中70.34 MW供给当地负荷需求,其余通过330 kV多合变电站送入甘肃主网。

当多合变电站和甘肃主网之间线路出现故障或者频率电压越限时并网断路器跳闸后,多合地区便形成了水电群孤网运行状态。水电群孤网运行后因输电线路对地电容产生较大的充电功率,导致系统电压会迅速升高。由于多合地区内负荷功率较低,使大量有功功率过剩导致系统频率发生大幅升高。频率的大幅波动将使系统电抗参数发生较大改变,会大大增加线路充电无功功率,进而使母线电压继续升高,加重了系统内平衡无功功率的负担[2]。当孤网系统频率超过临界值时还可能使水电机组步入自励磁运行状态。因此,必须对水电群孤网运行时的电压和频率进行合理的控制,同时合理抑制区域弱联电网解列引起的过电压[3],才能使水电群孤网稳定运行。

图1 多合电网电气主接线

2 频率控制策略

图2 多合电网孤网运行频率变化曲线

当发生故障导致多合330 kV变电站与甘肃主网裂解形成孤网,该孤网由于大量功率的过剩导致系统频率大幅增加。图2为多合地区孤网运行时频率随时间变化曲线,从图看出,当形成孤网瞬间系统频率由50 Hz迅速升高,而且陡度较大。若不立即采取切机措施,将会导致系统频率反复振荡,严重影响电网安全稳定运行[4]。为解决多合电网孤网运行时的高频问题,应采取连锁切机措施,在连锁切机措施部分或全部拒动的情况下,再采取发电机高频切机措施,当频率升高到一定值时,经过一定延时切除设定的发电机组,使系统有功功率最终达到平衡,频率恢复到可接受范围之内。

孤网形成初期,因网内功率不平衡故要求每台机组具有相应的调节能力,即根据频率或者转速等参数的变化进行调节。水轮机调速器转速负荷控制功能是反馈转速误差信号来改变导叶开度,控制水量的变化从而实现有功调节,其响应特性主要取决于水轮机的响应特性[5]。发电机组功频特性的调差系数主要取决于调速器的静态调节特性,它与机组间功率分配密切相关。为了使多台机组并列稳定运行,调速器工作特性应具有下垂特性,才能保证各发电机之间负荷的合理分配。在系统孤网运行模式下要求速度控制具备良好的稳定性,这与正常同步运行条件下需要快速带负荷和切负荷的调速器整定值相矛盾。为了快速改变负荷,必须具有较快的调速器响应速度。但是造成快速响应的调速器整定值,在电网解列时会造成频率不稳定。若通过机组自调节能力无法使孤网稳定,则需要通过切机或切负荷方案来实现。

针对甘南孤网高频现象,仅凭借水轮机调节能力无法达到稳定运行,必须通过切机方案才能实现孤网稳定运行。孤网稳定运行后,根据孤网运行特性对相应的自动装置进行合理的调整以保证孤网稳定运行。夏大运行方式下,当发生故障并网断路器跳闸使多合变电站与甘肃主网解裂后,相当于多合网突然失去了159.93 WM负荷。因此形成孤网后,为了使孤网能保持功率平衡以及稳定运行必须切除部分机组。经PSASP仿真计算,确定了以下切机方案表1所示,该切机方案下孤网系统可以保持稳定运行。

表1 高频切机方案

水电群孤网运行利用高频切机措施来抑制孤网高频现象,可以预先制定发电机的控制策略、自身转速以及电网频率信号等切机方案。多合地区小水电主要为低水头径流式水电机组,孤网时可能会出现频率控制的稳定性问题,解决措施是孤网后切换调速器参数,整定适合孤网运行的调速器参数在水电群孤网后切换参数。这种控制措施的关键在于通过外送通道的功率和电流信号判断孤网运行状态、判断电网调度中心或地区调度中心再依次执行孤网控制策略。一般情况下小机组因调频能力有限,在大电网运行时不参与频率的调节,相当于恒定功率的电源,系统调频主要通过大机组良好的调频能力来实现。孤网运行时由于孤网区域功率过剩,所有机组的出力均加重功率过剩程度,使得系统调频越难。所以在孤网运行时,应严格控制恒定有功出力机组的运行。

3 电压控制策略

图3 多合地区220 kV母线电压随发电机进相深度变化曲线

电压控制可以利用投切电抗器或者机组进相运行能力来平衡系统过剩无功。投切电抗器需要增加额外的无功补偿装置费用以及控制成本,成本较大不经济。同步发电机通过励磁电流来控制无功出力,当发电机由滞相运行转入进相运行时,进一步减小励磁电流,发电机向系统提供有功的同时吸收系统无功。利用发电机进相能力平衡系统过剩无功功率可以有效地控制系统电压。利用发电机进相运行能力不仅响应速度快而且控制成本也低,因此利用发电机进相运行实现快速连续调节是一种有效的措施[6,7]。

从图3可以看出,发电机进相运行深度越深,母线电压越高。多合电网孤网运行时,因线路对地充电电容较大,系统呈容性。当发电机进相运行时,向系统提供大量的容性无功,即吸收系统大量的感性无功,系统母线电压升高。为了使孤网安全稳定运行必须使发电机进相运行在某一深度范围,同时需要考虑发电机端电压的安全运行范围。针对多合孤网,发电机进相运行深度处在0.28-0.34范围内,可以使系统电压稳定在正常水平。发电机进相能力主要由定子铁心端部热极限、静态稳定极限和定子过电流极限共同决定,所以对发电机进行低励磁限制和保护,以限制发电机进相功率,避免因励磁过小而威胁发电机安全稳定运行。

4 结束语

甘南地区水电群孤网运行下由于系统内有功功率和无功功率的严重过剩导致系统频率和电压发生大幅波动。本文结合甘南电网孤网运行存在的问题,初步探讨了水电群孤网运行后电压和频率控制措施,为甘南电网孤网稳定运行提供一定的参考。

参考文献

[1]王一振,马世英,王青,等.电力系统孤网高频问题研究现状和发展趋势[J].电网技术,2012,36(12):165-168.

[2]黄杨,张毅威,闵勇,等.水电群孤网后的安全稳定特性及控制策略[J].电力系统自动化,2012,36(9):1-5.

[3]胡立锦,张新燕,王维庆,等.地区电网解列后过电压控制策略研究[J].陕西电力,2011,39(8):9-12.

[4]李祥,刘继荣,赵红磊.甘南电网孤网运行分析及控制方案的制定[J].陕西电力,2013,41(4):66-70.

[5]张培高,李兴源,李政.孤网频率稳定与控制[J].电力系统保护与控制,2012,45(15):143-147.

[6]蒲倩,张毅威,陆秋瑜,等.四川茂县水电群孤网运行电压控制[J].中国电力,2012,45(2):5-8.

电压频率 篇5

工业上对于三相交流电的测试一般在现场, 而显示设备或者控制设备一般都在控制室或控制柜上, 两者之间可能相距数十至数百米, 测试结果若以电压等形式传输, 会出现信号减弱、失真等现象, 从而导致测试结果的不准确。若以电流形式传输则不会有衰减, 适宜于远距离传输。两线制变送的突出优点是现场变送器和控制室的仪表之间的联系仅仅使用两根导线, 这两根导线既是供给变送器工作的电源线, 又是信号输出线。传输信号的下限为4m A, 不与机械零点重合, 不但可充分利用晶体管电路的线性段, 而且容易识别断电、断线等故障。传输信号的上限为20m A, 比0~10m A输出方式大一倍, 有利于提高信号输送效力和信号的分辨能力。

根据需求设计了一种转换器, 可以实现将不同传感器采集的三相交流电的不同物理参数转换为4~20m A的标准变送输出, 并且保证转换精度≤2%, 以便于后续的测试工作。转换的物理参数包括利用基于DVL系列传感器的信号处理模块采集的三相交流电的电压信号, 利用基于DHR系列传感器的信号处理模块所采集的三相交流电的电流信号以及利用光耦传感器和PIC18F97J60单片机接口电路将采集的频率信号转换成的计数脉冲信号[1]。

文章所设计的电路是可以实现0~2.5V电压、0~125m A以及0~1KHz转化为4~20m A标准变送输出, 系统结构框图如图1所示。

1 转换器的电路设计

V/I转换器是一种可以实现将输入的电压信号转换为电流信号输出的电路。图2是两线制V/I变换电路的基本原理图, 转换电路由OP1、Q1、R1、R2、Rs构成。若A点由于某种原因高于0V, 则运放OP1输出升高, Re两端电压升高, 通过Re的电流变大。相当于整体耗电变大, 通过采样电阻Rs的电流也变大, B点电压变低 (负更多) 。结果是通过R2将A点电压拉下来。反之, 若A点因某种原因低于0V, 也会被负反馈升高到0V。以上是负反馈过程, 负反馈的结果是运放OP1虚短, A点电压=0V。

电路正常工作需要2个条件:首先要自身耗电尽量小, 省下的电流要供给调理电路以及变送器。其次要求运放器件能够单电源工作, 即在没有负电源情况下, 输入端仍能够接受0V输入, 并能正常工作。单电源供电时, 输入端从-0.3V~1.5V范围内都能正常工作。R5和U1构成基准源, 产生2.5V稳定的基准电压。

1.1 电压/电流转换电路设计

利用莱姆电子的DVL系列传感器所采集的三相交流电的0~2.5V直流电压信号, 输入转换电路实现4~20m A的交流电输出。电压/电流[2]的转换即是将电压信号转换为随输入电压变化的电流信号, 在一定的负载变化范围内要求输出电流能够保持稳定 (不随负载变化) 具有这一特性的V/I转换原理图如图3所示, 下面是对设计电路的介绍。

图3所示仿真电路中主要是由五个LT1078IN8运算放大器、一个BSS79B三极管以及其他辅助元件构成。电路中U3A运放电路实质上是一个检波电路, 其输出端接入一个二极管实现对输入信号的检波作用, 当输入信号为正弦信号时, 其输出信号相当于加了绝对值的正弦信号, 不存在负半轴信号。第二个运算电路U4A是跟随器[3], 该电路作为缓冲级和隔离级, 电压放大器U3A输出阻抗较高, 后级输入阻抗比较小, 信号会相当部分损耗在前级的输出电阻, 电压跟随器进行缓冲, 起到承上启下作用使电路性能得到进一步优化。假设从跟随电路输出端的电压值为Vin, 则U2A运算放大器正向输入端信号为V1, 该电路公式推导如下:

由公式2得公式4

将公式1、公式3带入公式4得公式5

由公式5可以看出, 当输入的电压信号为0V时, 则输出的电流信号为4m A, 而当输入的电压信号为2.5V其电路输出电流为20m A。

该电路的仿真结果如图4所示。当转换电路输入的电压为零时, 输出电流为4.073m A;当输入电压为2.5V, 输出电流为19.575m A。由此可见, 该电路通过仿真可以满足设计要求, 即输入信号为0~2.5V电压信号, 输出信号为4~20m A的标准交流电信号。

1.2 电流/电流转换电路设计

利用莱姆电子DHR系列传感器所采集的三相交流电的0~125m A电流信号, 输入转换电路转换成4~20m A的交流电输出。电流/电流[4]的转换功能通过图3所示的转换电路实现, 让电压源并联电阻接入电路中从而模拟出电流源的电流输入, 通过电路仿真以及实际电路的调试, 可以实现输入电流为0~125m A, 电路的输出信号为4~20m A的标准交流电信号。

1.3 频率/电流转换电路的设计

检测三相交流电的频率是否正常, 利用光耦传感器[5]和单片机接口电路将三相交流电的频率信号转换成的计数脉冲信号, 输入转换电路转换成4~20m A的交流电。利用图3电路, 输入电压是通过利用单片机接口电路将输入的频率信号转换成脉冲信号进行数模转换成电压信号作为电路输入信号, 即实现了输入信号为0~1KHz的频率信号转化为0~2.5V的电压输入到所设计的转换电路中, 最终实现电路的输出信号为4~20m A的标准交流电信号。

2 实验

对实际电路进行调试, 在电路的输入端分别是电压、电流以及频率的情况下, 观察输出端电流表示数并记录在表格中。

表1为图3电路的电压/电流实验结果, 由表1可以看出, 当输入交流电压信号在0~2.5V之间时可以实现输出电流为4~20m A的标准电流, 其转换精度为1.89%。

表2为图3电路的电流/电流实验结果, 根据试验结果来看, 可以实现电流值0~125m A转化为4~20m A的标准电流输出, 其转换精度为1.68%。

表3为图3电路的频率/电流实验结果, 通过观察实验现象, 利用单片机可以将0~1KHz的频率信号转化为0~2.5V的电压输入到电路中, 最终实现4~20m A的交流电信号输出, 其转换精度为1.2%。

3 结束语

随着电力系统的快速发展, 电网容量不断增加, 结构日趋复杂, 电力部门对电网运行的稳定和供电品质要求也越来越高。因此, 电力系统中需要实时采集电参量, 以便实现电网的远程监控和调度的自动化。而电力参数如电压、电流和频率等数据采集和变送又是实现自动化的重要环节。文章设计了一种实用的电压/电流 (V/I) 、电流/电流 (I/I) 和频率/电流 (F/I) 转换器, 实现三相交流电的电压、电流和三相频率等电参数的4-20m A的标准变送输出, 以便于后续的传输及测试。

摘要：在三相交流电路中, 往往需要检测三相相电流、线电流和频率的变化, 监控线路电压的波动, 控制升温、降温、振动大小等, 另外, 还需要经常了解三相负载的本身工作正常与否, 从而做到实时调整。文章设计了一种实用的电压/电流 (V/I) 、电流/电流 (I/I) 和频率/电流 (F/I) 转换器, 将传感器测量的电压、电流和频率信号转换为电流信号以适应远距离检测的需要, 实验结果表明三种转换电路均能满足设计指标。

关键词：三相交流电,变送器,标准电流输出

参考文献

[1]廖红梅.传感器中的电压/电流、电压/频率变换的实现[J].煤炭工程, 2003 (9) :46-47.

[2]蔡锦福.运算放大器原理与应用[M].北京:科学出版社, 2005.

[3]童诗白, 华成英.模拟电子技术基础 (第四版) [M].高等教育出版社, 2006.

[4]杨振江.新颖实用电子设计与制作[M].西安电子科大出版社, 2000.

电压频率 篇6

本文以采用涡轮流量传感器的流量测试系统为例, 介绍了一种以LM2917芯片作为频率/电压转换器的实时流量测试方法, 该方案利用常用元器件和仪器即可实现, 成本较低, 并在实际应用中取得了良好效果。

1 常用流量测试系统原理和局限

常用的流量测试系统由涡轮流量传感器、信号放大器以及流量积算仪表等组成。该系统的工作原理如下:当被测流体流经传感器时, 传感器内的叶轮借助于流体的动能而产生旋转, 叶轮即周期性地改变磁电感应系统中的磁电阻, 使通过线圈的磁通量周期性地发生变化而产生电脉冲信号, 经放大器放大后传送至流量积算仪表进行流量显示或积算。流量仪表一般是采用计频法计算流量的, 通过对一定时间内的电脉冲信号进行计数来确定该段时间内的流量值。

传感器产生的脉冲频率和流过传感器的体积满足 (1) 式:

其中K是流量传感器的仪表常数。以LWGY-80涡轮流量传感器为例, 如仪表常数K=11, 在流量为32400L/h时, 按 (1) 式可得出频率为99Hz, 此时传感器产生的脉冲输出频率较低。

利用以上关系式, 流量积算仪表可以得出流量值并加以显示。如果需要获得一段时间内的流量曲线可选用带有变送输出的流量积算仪表, 用仪表的变送输出来绘制或显示曲线。但由于仪表的采样率很低, 采样周期一般仅为0.5s～1s, 相对于引言部分提及的应用显然力不能及。故该方案仅适合于流量变化较为缓慢的情况下实现监测功能。

以上系统无法完成流量快速变化时对低频信号的精确测量要求, 是由于在低频条件下采用计频法时, 如提高采样率, 采样率的成倍提高会导致误差的成倍增大。因此需要寻找其它解决方法。

另外一种常用的流量测试系统由涡轮流量传感器、带标准电流输出的放大器以及流量积算仪表等组成。该系统与上述系统不同之处是:传感器产生的电脉冲信号, 经放大器放大并转换成标准电流后传送至流量积算仪表进行流量测量。该系统是通过电流信号的的大小来确定流量值的。

但是一般选购的带标准电流输出的放大器都是通用型的, 其频率输入范围较宽, 一般为0～5kHz。在低频测试时会带来输出信号幅度小, 抗干扰能力差的问题。因此, 该方法仍然无法全面解决引言中提出的问题。

2 改进后的流量测试系统

改进后的流量测试系统主要由涡轮流量传感器、脉冲信号输出放大器、由LM2917芯片组成转换电路和数字存储示波器等组成。采用了单片集成频率/电压转换器芯片LM2917, 将放大器输出的频率信号直接转换为相应的电压值, 然后采用数字存储示波器进行观测和分析。

图1所示为双列直插封装的LM2917芯片的原理框图, 该芯片共有14个引脚:1脚和11脚为运算放大器/比较器的输入端;2脚接充电泵的定时电容;3脚连接充电泵的输出电阻和积分电容;4脚和10脚为运算放大器的输入端;5脚为输出, 取自输出晶体管的发射极;8脚为输出晶体管的集电极, 9脚为电源正端;12脚为电源地端;6, 7, 13, 14脚未用。

由LM2917构成的频率/电压转换电路如图2所示。隔爆放大器输出为24V的方波, 该频率信号f由电阻R1和R2分压后得到4V左右的电压加在比较器的输入端, 即引脚1上。12V电源经过R6和二极管V 1分压后, 向比较器的反相输入端即引脚11提供0.6V的参考电压。R4是输出电压的负载电阻, R4一般取值范围为4.3kΩ～10kΩ。R5是内部稳压管的限流电阻, 由于芯片内的转速计电流和运放电路的工作电流至少需要3mA, 因此在低电压应用中, 必须保证电阻中的电流大于3 mA, 这里取R 5为5 6 0Ω。此时稳压管上的稳定电流按 (2) 式计算:

引脚5输出转换后的电压, 这里直接给出输出电压的计算公式 (3) 式。公式的推导本文不再赘述, 请有兴趣的读者参阅参考文献[1]。

式中, τ表示充电泵的时间常数:τ=R3C2。由上式可见, UO除与f有关之外, 还与电源电压UCC、充电泵时间常数τ有关。一旦UCC、τ确定后, UO只取决于f, 这就是利用LM2917测量频率的原理。

为了获得最佳转换效果, 必须仔细选择合适的R3和C2。定时电容C2为充电泵提供内部补偿, 为了使器件取得准确的转换结果, 其值应大于500pF, 太小的电容值会在R3上产生误差电流, 特别是在低温应用时。器件的引脚3的输出电流是内部固定的, 因此UO/R3值必须小于或等于此固定值。如果R3太大, 它将会影响引脚3的输出阻抗, 器件进行频率/电压转换的线性度将会变差。

3 应用实例

在由LWGY-80涡轮流量传感器、LWF-11A信号放大器、由LM2917芯片组成的转换电路和数字存储示波器等组成的加油活门流量测试系统中, 用数字存储示波器记录转换后的电压, 得到加油活门的关闭曲线见图3。图中活门关闭时在3.4s的时间内流量由32400L/h减小至零, 曲线较为平滑连续, 该曲线完全满足对活门关闭特性的分析要求。

该系统中流量传感器的仪表常数K=11, 在流量为32400L/h时, 计算出信号放大器输出频率为99Hz, 频率较低。这时按照 (3) 式, 得出转换电路输出的电压为5.6V。显然, 该转换电路同时满足了低频测量要求。

4 结语

通过在加油活门关闭特性测试中的应用表明, 改进后的流量测试系统能够满足流量快速变化条件下的流量测试要求。通过适当改变各元器件值, 该电路即可灵活运用于不同的频率输入场合, 因此具有很强的实用价值。

摘要：本文介绍了一种以LM2917芯片作为频率/电压转换器的实时流量测试方法, 该测试方法能够满足流量快速变化条件下的精确测量要求。

关键词：流量测试,频率电压转换,LM2917

参考文献

[1]张颖光, 杨光.频率-电压集成转换器LM2917及其应用[J].国外电子元器件, 2000 (1) .

[2]上海自仪九仪表有限公司.LWGY型涡轮流量传感器使用说明书[J].2002-09版.