СИНХРОНИЗАТОР С ПОСТОЯННЫМ УГЛОМ ОПЕРЕЖЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02J3/42 

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к автоматическому включению синхронных генераторов на параллельную работу с сетью.

Известен импульсный синхронизатор с постоянным углом опережения, состоящий из блока управляющих импульсов, который выполнен на основе подключенных к одноименным фазам генератора и сети формирователей импульсов, и блока включения, основу которого составляют два одинаковых субблока контроля частоты и элемент ИЛИ, причем каждый субблок контроля частоты содержит формирователь прямоугольных импульсов, подключенный своим выходом через элемент И к логическому блоку - счетчику импульсов с дешифратором и триггером, которые совместно решают задачу о допустимости наблюдающейся разности частот [1].

Недостатками данного синхронизатора являются низкая точность и большая трудоемкость настройки, обусловленные наличием четырех формирователей импульсов регулируемой в процессе настройки длительности - по два в каждом из каналов.

Наиболее близким по технической сущности является импульсный синхронизатор, состоящий из последовательно включенных входного блока, выявителя знака скольжения, переключателя каналов и блока включения. При этом входной блок содержит два формирователя импульсов, подключенных к одноименным фазам сети и генератора, а блок включения содержит два элемента И, элемент задержки и счетчик импульсов, причем выход первого элемента И подключен к основному входу счетчика импульсов, первый вход второго элемента И включен параллельно входу элемента задержки, а выход второго элемента И подключен в цепь включения генераторного выключателя [2].

Основные недостатки импульсного синхронизатора - низкая точность и быстродействие, сложность настройки.

Невысокая точность построения угла опережения в нем определяется неизбежной нестабильностью, например температурной, работы формирователя основных импульсов, и зависимостью построенного с помощью основных импульсов угла опережения от частоты того из синхронизируемых объектов, частота которого меньше. Последнее вытекает из рабочей формулы для угла опережения
δ_оп= · τ_o, (1) где τ_o - длительность основного импульса;
Т_м - длительность периода меньшей частоты.

Снижение быстродействия импульсного синхронизатора имеет место при малых разностях частот генератора и сети, когда возможно "зависание" генератора на длительное время, исчисляемое десятками секунд.

Сложность настройки обуславливается необходимостью обеспечить заданную длительность основных и вспомогательных импульсов на выходе соответствующих формирователей, входящих в блок включения. Для этого необходимо использовать сложную и дорогую цифровую измерительную технику с высокой разрешающей способностью по измерению временных интервалов.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия, упрощение настройки.

Поставленная цель достигается тем, что синхронизатор с постоянным углом опережения, содержащий входной блок с двумя входами для подключения к напряжениям сети и генератора, состоящий из двух формирователей импульсов, которые своими входами подключены к фазе А сети и генератора, и блок включения, выполненный на двух элементах И, элементе задержки и счетчике импульсов, причем выход первого элемента И подключен к основному входу счетчика импульсов, первый вход второго элемента И включен параллельно входу элемента задержки, а выход - в цепь включения генераторного выключателя, снабжен блоком настройки, который включен последовательно между входным блоком и блоком включения, во входной блок введены дополнительно четыре формирователя импульсов и два потенциометра, причем третий формирователь импульсов подключен к выходу первого потенциометра, четвертый - к фазе В генератора, пятый - к выходу второго потенциометра, шестой - к фазе С генератора, первый потенциометр включен между фазами А и В генератора, второй - между фазами А и С генератора, в блок включения введено два триггера и одновибратор, причем единичный вход первого триггера подключен к выходу четвертого формирователя импульсов входного блока, его нулевой вход - к выходу шестого формирователя импульсов входного блока, а выход - к второму входу первого элемента И, первый вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов входного блока, единичный вход второго триггера подключен к первому входу счетчика импульсов, его нулевой вход совместно с обнуляющим входом счетчика импульсов подключен к выходу элемента задержки, вход одновибратора подключен к второму выходу счетчика импульсов, выход - к каналу "Прибавить частоту" генератора, выход второго триггера подключен к второму входу второго элемента И, первый вход которого совместно с входом элемента задержки подключен к выходу блока настройки.

Блок настройки выполнен на двух триггерах, элементе ИЛИ, элементе И, переключателе на два положения и вольтметре среднего значения, причем единичный вход первого триггера совместно с нулевым входом второго триггера подключен к выходу второго формирователя импульсов входного блока, нулевой вход первого триггера подключен к выходу третьего формирователя импульсов входного блока, единичный вход второго триггера подключен к выходу пятого формирователя импульсов входного блока, выход первого триггера подключен к первому входу элемента ИЛИ и первому контакту переключателя, выход второго триггера подключен к второму входу элемента ИЛИ и второму контакту переключателя, общий контакт переключателя подключен к вольтметру среднего значения, выход элемента ИЛИ подключен к второму входу элемента И, первый вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов входного блока, выход элемента И подключен к блоку включения на вход элемента задержки и первый вход второго элемента И.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого синхронизатора; на фиг. 2 - векторная диаграмма, поясняющая основные фазовые соотношения в предлагаемом синхронизаторе; на фиг.3 - временные диаграммы его работы.

Синхронизатор содержит входной блок 1, блок 2 настройки, блок 3 включения, вывод 4 для подключения к фазе А сети, выводы 5, 6 и 7 для подключения к фазам А, В и С генератора соответственно, первый и второй потенциометры 8 и 9, первый-шестой формирователи 10-15 импульсов входного блока, первый и второй триггеры 16 и 17 блока настройки, элементы ИЛИ 18, И 19 блока настройки, переключатель 20 и вольтметр 21, первый и второй триггеры 22 и 26 блока включения, первый и второй элементы И 23 и 28 блока включения, элемент 24 задержки, счетчик 25 импульсов, одновибратор 27, выход 29 "Прибавить частоту", выход 30 "Включить выключатель".

Потенциометры 8 и 9 и первый-шестой формирователи 10-15 образуют входной блок 1.

Блок 2 настройки состоит из первого 16 и второго 17 триггеров, элементов ИЛИ 18 и И 19, переключателя 20 и вольтметра 21.

В состав блока включения входят первый 22 и второй 26 триггеры, первый 23 и второй 28 элементы И, элемент 24 задержки, счетчик 25 импульсов, одновибратор 27.

Напряжение (вывод 4) фазы А сети и напряжения (выводы 5, 6 и 7) фаз А, В и С генератора подаются во входной блок, в котором первый формирователь 10 импульсов своим входом подключен к фазе А сети (вывод 4), второй формирователь 11 импульсов своим входом - к фазе А генератора (вывод 5), третий формирователь 12 импульсов своим входом - к выходу первого потенциометра 8, который включен между фазами А и В генератора (выводы 5 и 6), четвертый формирователь 13 импульсов своим входом подключен к фазе В генератора (вывод 6), пятый формирователь 14 импульсов своим входом - к выходу второго потенциометра 9, который включен между фазами А и С генератора (выводы 5 и 7), шестой формирователь 15 импульсов своим входом подключен к фазе С генератора (вывод 7).

Сигналы из входного блока поступают на вход блока настройки, а именно: с формирователя 10 импульсов - на вход элемента И 19, с формирователя 11 импульсов - на единичный вход первого триггера 16 и нулевой вход второго триггера 17, с формирователя 12 импульсов - на нулевой вход первого триггера 16, с формирователя 14 импульсов - на единичный вход второго триггера 17. Кроме того, с выхода формирователя 10 импульсов сигнал поступает на первый вход первого элемента И 23 блока включения, а с выходов формирователей 13 и 15 импульсов - на единичный и нулевой входы, соответственно первого триггера 22 блока включения.

В блоке настройки выход первого триггера 16 соединен с первым входом элемента ИЛИ 18 и первым контактом переключателя 20, выход второго триггера 17 - с вторым входом элемента ИЛИ 18 и вторым контактом переключателя 20. Общий контакт переключателя 20 подключен к вольтметру 21 среднего значения.

Сигнал с выхода элемента И 19 блока настройки поступает на вход элемента 24 задержки и первый вход второго элемента И 28 блока включения.

В блоке включения выход первого триггера 22 соединен с вторым входом первого элемента И 23, выход первого элемента И 23 - с основным входом счетчика 25 импульсов, нулевой вход второго триггера 26 совместно с обнуляющим входом счетчика импульсов подключен к выходу элемента 24 задержки, вход одновибратора 27 подключен к второму выходу счетчика 25 импульсов, выход одновибратора 27 подключен к каналу "Прибавить частоту" генератора 29, первый выход счетчика 25 импульсов подключен к единичному входу второго триггера 26, выход второго триггера 26 подключен к второму входу второго элемента И 28, выход которого подключен к каналу "Включить выключатель" 30.

В основу работы синхронизатора положены углы сдвига фаз между напряжением А_с фазы А сети и пятью напряжениями генератора - напряжениями А_г, В_г и С_г фаз А, В и С и специально сформированными напряжениями А'_г и А''_г (фиг. 2). Вектор напряжения А_с на фиг.2 принят неподвижным, поэтому звезда напряжений генератора А_г, А'_г , В_г, С_г и А''_г вращается ("скользит") по отношению к напряжению А_с против часовой стрелки, если f_г < f_c, или по часовой стрелке, если f_г < f_c. Для определенности рассмотрим вариант, когда частота генератора f_г больше частоты сети f_c. При этом в синхронизаторе из пяти напряжений генератора используется четыре - В_г, С_г, А''_г и А_г.

Время τ₂₃, в течение которого угол сдвига фаз 120^о между фазами В и С генератора "скользит" по вектору напряжения А_с, используется для оценки разности частот f_s = f_г - f_c синхронизируемых источников. Это время обратно пропорционально разности частот. Если разность частот лежит в допустимых пределах, т.е. f_s≅ f_sдоп., то для τ₂₃ справедливо неравенство
τ₂₃≥ τ_доп=
(1)
Напряжение А''_г используется для построения постоянного угла опережения δ'' при f_г > f_c. В момент совпадения по фазе напряжения А''_г с напряжением А_с формируется команда на включение генераторного выключателя, если перед совпадением векторов А''_г и А_с соблюдено условие (1).

При f_г < f_c для построения постоянного угла опережения δ'' используется напряжение А_г. В общем случае углы δ'' и δ' могут быть и различными - в зависимости от конкретных условий синхронизации - идет она "снизу" (f_г < f_c) или "сверху" (f_г > f_c).

Напряжения А'_г и А''_г получаются с помощью потенциометров 8 и 9 входного блока синхронизатора.

Синхронизатор работает следующим образом.

Во входном блоке формирователи 10-15 импульсов вырабатывают на своих выходах короткие остроконечные импульсы (напряжения U₁₀-U₁₅ на фиг.3) с крутым передним фронтом в момент перехода соответствующих синусоид напряжения через фазовый угол 2 π. Этим достигается независимость работы синхронизатора от величины напряжений А_с и А_г, А'_г, В_г, С_г и А''_г , используемых в синхронизаторе.

Импульсы с выходов формирователей 11 и 12 импульсов, поступающих в блок настройки соответственно на единичный и нулевой входы триггера 16, обеспечивают формирование на его выходе прямоугольного импульса - напряжение U₁₆ на фиг. 3, длительность которого пропорциональна углу δ'. Соответственно пропорционально углу δ' и среднее значение напряжения U₁₆. Докажем это.

Пусть в единичном состоянии триггера 16 напряжение на его выходе равно V_m, а в нулевом - V₀. Тогда для среднего значения напряжения U_16cp. на выходе триггера, находящегося в единичном состоянии в течение отрезка времени τ₁₆ при длительности периода следования входных импульсов U₁₁ и U₁₂ триггера, равной Т_г, можно записать
U_16cp= .

(2) Учитывая, что периоду Т_г соответствует угол в 360^о, а импульсу τ₁₆ угол δ' , выражение (2) представим в виде
U= .

(3) откуда легко рассчитывается показание вольтметра 21, подключенного с помощью переключателя 20 к выходу триггера 16, соответствующее углу опережения δ' . При необходимости настроить синхронизатор на другое значение угла опережения при синхронизации "снизу" по формуле (3) рассчитывается соответствующее значение U''_16cp , которое обеспечивается путем воздействия на движок потенциометра 8.

Угол δ'' в синхронизаторе строится аналогично углу δ', но по импульсам с выходов формирователей 14 и 11 импульсов, управляющих работой триггера 17. При настройке угла δ'' переключатель 20 ставится во второе (нижнее по схеме) положение, изменение угла δ'' производится потенциометром 9 и контролируется по вольтметру 21.

В обоих случаях настройка синхронизатора по углу опережения достаточно проста, поскольку опирается на показания единственного прибора - вольтметра 21.

Прямоугольные импульсы с выходов триггеров 16 и 17 объединяются элементом ИЛИ 18 и подаются на второй вход элемента И 19. Сигнал на выходе элемента И 19 появляется после того, как импульс с выхода формирователя 10 импульсов, соответствующий вектору напряжения А_с, входит в зону угла δ' + δ'', который соответствует импульсу на выходе элемента ИЛИ 18.

Импульсы с выходов формирователей 13 и 15 импульсов, поступающие в блок включения соответственно на единичный и нулевой входы триггера 22, обеспечивают формирование на его выходе прямоугольного импульса, длительность которого пропорциональна углу 120^о - напряжение U₂₂ на фиг.3. Этот импульс используется в качестве эталонного отрезка, по которому "шагает" импульс с выхода формирователя 10 импульсов. Факт совпадения импульсов U₁₀ и U₂₂, за которым стоит факт нахождения вектора напряжения А_с в зоне 120^о между векторами В_г и С_г, отмечается элементом И 23, а число совпадений регистрируется счетчиком 25.

Если разность частот f_s лежит в допустимых пределах то количество совпадений достаточно для появления сигнала на первом выходе счетчика 25 и установки триггера 26 в единичное состояние. На фиг.3 принято достаточным три совпадения.

Сигнал с выхода триггера 26 готовит по второму входу элемент И 28 с тем, чтобы пропустить на включение выключателя импульс с выхода элемента И 19, сформированный в момент прохождения вектором напряжения А_с вектора А'_г или А''_г . Импульс с выхода элемента И 19, задержанный на время τ_з в элементе 24 задержки, производит обнуление счетчика 25 и перевод в нулевое состояние триггера 26.

Если разность частот f_s больше допустимой, то количество совпадений импульсов в элементе И 23 оказывается недостаточным для появления сигнала на первом выходе счетчика 25, триггер 26 остается в нулевом состоянии и тем самым блокирует элемент И 28. Импульс с выхода элемента И 19 в цепь включения выключателя 30 не проходит, но обнуление счетчика 25 производит. Последнее необходимо для того, чтобы в счетчике не произошло накопление информации за несколько периодов биений подряд и как следствие чтобы не поступило ложного сигнала о допустимости завышенной разности частот.

Если разность частот f_s незначительна и возникает угроза "зависания" генератора по отношению к сети, используется факт переполнения счетчика 25 - появление сигнала на его втором выходе. Этим сигналом запускается одновибратор 27, который формирует импульс "Прибавить частоту" генератора.

Предлагаемый синхронизатор может быть выполнен на базе интегральных микросхем - элементов И, ИЛИ, триггеров, счетчиков с дешифраторами, схем задержки, преобразователей формы сигнала, формирователей импульсов прямоугольной формы (одновибраторов).

Технико-экономический эффект от внедрения предлагаемого синхронизатора с постоянным углом опережения заключается в следующем.

Применение во входном блоке четырех дополнительных формирователей импульсов и двух потенциометров дало возможность использовать для контроля разности частот и построения постоянных углов опережения фазовые углы трехфазной системы напряжений генератора. У ненагруженного генератора эти углы выдерживаются с высокой точностью, что гарантирует повышение точности определения параметров синхронизации - разности частот f_s и углов опережения δ' и δ''.

Использование в блоке включения одновибратора, подключенного к выходу счетчика, который сигнализирует о его переполнении, позволяет путем подачи команды "Прибавить частоту" избежать "зависания" генератора. Тем самым обеспечивается повышение быстродействия синхронизатора. Наконец, контроль величины угла опережения по показаниям вольтметра, подключаемого на выходы триггеров блока включения, существенно упрощает, уточняет и ускоряет процедуру настройки постоянных углов опережения для синхронизации как "снизу", так и "сверху". Не требуются сложные и дорогие измерители длительности импульсов, расчетные формулы предельно упрощаются.

Использование: в электроэнергетике, в автоматике включения синхронных генераторов на параллельную работу с сетью. Сущность: измеряются углы сдвига фаз между фазой A сети и пятью напряжениями генератора - напряжениями фаз генератора A_г, B_г и C_г и специально сформированными напряжениями , пропорциональными углам опережения δ′ и δ″ при соответственно f_г<f_с и f_г>f_с . В блоке настройки определяется момент нахождения вектора A_c в области между векторами и между векторами B_г и C₁ тогда формируется сигнал на включение генератора. Счетчик считает число попаданий вектора A_с в область между B_г и C_г и при заданном числе импульсов выдает сигнал на первом выходе, который является сигналом на включение генератора. Если разность частот незначительна и возникает угроза "Зависания" генератора, счетчик переполняется, появляется сигнал на его втором выходе, который формирует сигнал "Прибавить частоту" генератора. 3 ил.

СИНХРОНИЗАТОР С ПОСТОЯННЫМ УГЛОМ ОПЕРЕЖЕНИЯ, содержащий входной блок с входами для подключения к напряжениям сети и генератора, состоящий из двух формирователей импульсов, которые своими входами подключены к фазе A сети и генератора, и блок включения, выполненный на двух элементах И, элементе ЗАДЕРЖКА и счетчике импульсов, причем выход первого элемента И подключен к основному входу счетчика импульсов, первый вход второго элемента И включен параллельно входу элемента Задержка, а выход включен в цепь включения генераторного выключателя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, быстродействия и упрощения настройки, в него введен блок настройки, который включен последовательно между входным блоком и блоком включения, во входной блок введены дополнительно четыре формирователя импульсов и два потенциометра, причем третий формирователь импульсов подключен к выходу первого потенциометра, четвертый формирователь импульсов подключен к фазе B генератора, пятый формирователь импульсов подключен к выходу второго потенциометра, шестой формирователь импульсов подключен к фазе C генератора, первый потенциометр включен между фазами A, B генератора, второй потенциометр - между фазами A, C генератора, в блок включения введено два триггера и одновибратор, причем единичный вход первого триггера подключен к выходу четвертого формирователя импульсов входного блока, его нулевой вход - к выходу шестого формирователя импульсов входного блока, а выход - к второму входу первого элемента И, первый вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов входного блока, единичный вход второго триггера подключен к первому выходу счетчика импульсов, его нулевой вход совместно с обнуляющим входом счетчика импульсов подключен к выходу элемента ЗАДЕРЖКА, вход одновибратора подключен к второму выходу счетчика импульсов, выход - к каналу "Прибавить частоту" генератора, выход второго триггера подключен к второму входу второго элемента И, первый вход которого совместно с входом элемента ЗАДЕРЖКА подключен к выходу блока настройки, блок настройки выполнен на двух триггерах, элементе ИЛИ, элементе И, переключателе на два положения и вольтметре среднего значения, причем единичный вход первого триггера совместно с нулевым входом второго триггера подключен к выходу второго формирователя импульсов входного блока, нулевой вход первого триггера подключен к выходу третьего формирователя импульсов входного блока, единичный вход второго триггера подключен к выходу пятого формирователя импульсов входного блока, выход первого триггера подключен к первому входу элемента ИЛИ и первому контакту переключателя, выход второго триггера подключен к второму входу элемента ИЛИ и второму контакту переключателя, общий контакт переключателя подключен к вольтметру среднего значения, выход элемента ИЛИ подключен к второму входу элемента И, первый вход которого подключен к выходу первого формирователя импульсов входного блока, выход элемента И подключен к блоку включения на вход элемента ЗАДЕРЖКА и первый вход второго элемента И.