УСТРОЙСТВО ДЛЯ СРАВНЕНИЯ ФАЗ Российский патент 1997 года по МПК G01R25/00 H02H3/38 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при выполнении устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) энергосистем, например реле мощности или сопротивления.

Известно устройство для сравнения фаз двух электрических величин логического типа [1] обладающее малыми временами срабатывания и возврата (до 10 мс), некритичностью к изменению частоты сравниваемых величин, дискретно-потенциальным характером выходного сигнала. Оно содержит блок формирования прямоугольных импульсов и логический блок, выполненный на основе трех RS-триггеров, двух инверторов и двух элементов 2И-НЕ.

Недостатком этого устройства является его высокая чувствительность к помехам, возникающим в моменты, близкие к моментам перехода сравниваемых величин через ноль. Такие помехи длительностью менее 1 мс запоминаются выходным RS-триггером на время до 10 мс в зависимости от угла между входными величинами, вследствие чего устройство ложно срабатывает.

Известны также устройства для сравнения фаз [2, 3] логического типа, обладающие повышенной помехоустойчивостью в сравнении с предыдущими при сохранении его достоинств.

Эти устройства содержат блок формирования прямоугольных импульсов из сравниваемых величин, два трехвходовых мажоритарных элемента с обратной связью, последовательно включенные сумматор и формирователь модуля, выход которого служит выходом устройства. При этом входы сумматора подключены попарно к выходам блока формирования прямоугольных импульсов и мажоритарных элементов, а объединенные вторые и объединенные третьи входы последних подключены к первому и второму выходам блока формирователя прямоугольных импульсов.

Отличие устройств, приведенных в [2] и [3] заключается только в выполнении блока формирования прямоугольных импульсов, определяющего разные уровни помехоустойчивости и быстроты срабатывания. В первом случае выше быстрота срабатывания, но хуже помехоустойчивость, во втором наоборот.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является устройство для сравнения фаз, приведенное в [2] Его блок формирования прямоугольных импульсов состоит из двух формирователей, входы и выходы которых являются входами и выходами блока.

Недостатками устройства являются ограниченная точность работы и надежность схемы. Первый недостаток связан с реализацией аналоговых операций (суммирование, формирование модуля) над логическими сигналами (прямоугольными импульсами). Логические сигналы имеют два уровня: верхний, обозначаемый 1, и нижний 0, причем этим уровням соответствуют два различных диапазона напряжений. Конкретные значения напряжений в каждом диапазоне носят случайный характер и могут отличаться друг от друга. Например, в известном устройстве [2, фиг. 1] логическим уровням 1 и 0 соответствуют напряжения ±U_н насыщения операционных усилителей, зависящие от напряжения питания ±U_п. Обычно значения U_н лежат в диапазоне от 0,7 U_п до U_п.

При неблагоприятном сочетании отклонений ±U_н от ±U_п на выходе сумматора вместо ожидаемого нулевого напряжения может возникнуть напряжение близкое к ±U_н или наоборот, что вызывает ложную работу устройства из-за высокой погрешности (низкой точности работы). Еще больше возрастает погрешность вследствие эксплуатационных отклонений сопротивлений резисторов сумматора, нарушающих равенство коэффициентов передачи по его входам.

Второй недостаток известного устройства (низкая надежность) также связан с выполнением разнородных логических и аналоговых функций, усложняющих схему и затрудняющих унификацию ее элементов.

Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является повышение точности работы и надежности устройства путем замены аналоговых операций логическими.

Полученный при этом технический результат проявляется в повышении устойчивости функционирования и надежности устройств РЗА, где это изобретение может быть реализовано.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для сравнения фаз, содержащем блок формирования прямоугольных импульсов из сравниваемых величин, состоящий из двух формирователей, входы и выходы которого являются входами и выходами блока соответственно, и два мажоритарных элемента с обратной связью по первым входам и объединенными по признаку одноименности вторыми и третьими входами, один из которых выполнен инверсным, причем эти объединенные входы попарно подключены к выходам блока формирования прямоугольных импульсов, дополнительно введен четырехвходовый логический элемент типа "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", входы которого попарно подключены к выходам блока формирования прямоугольных импульсов и мажоритарных элементов, а выход служит выходом устройства.

Кроме того, в блок формирования прямоугольных импульсов дополнительно введены два мажоритарных элемента с обратной связью по первым входам и объединенными по признаку одноименности вторыми и третьими входами, один из которых выполнен инверсным, причем выходы мажоритарных элементов служат выходами блока формирования прямоугольных импульсов, а их объединенные входы попарно подключены к выходам формирователей этого блока.

Сопоставительный анализ признаков предложенного решения и признаков аналогов и прототипа свидетельствуют о его соответствии критерию "Новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают функциональную задачу выявления зон срабатывания и возврата устройства посредством логических операций при разных уровнях помехоустойчивости.

На фиг. 1 изображена функциональная схема и временные диаграммы, поясняющие ее работу, для первого варианта устройства; на фиг. 2 то же самое для второго варианта. Здесь: e₁и e₂ сравниваемые электрические величины; Φ сдвиг фаз между ними; U_ij выходной сигнал i-го блока (j номер выхода), имеющий логические уровни 0 и 1.

Первая схема (фиг. 1) содержит блок 1 формирования прямоугольных импульсов из сравниваемых величин, включающий в себя формирователи 2 и 3, входы и выходы которых служат входами и выходами блока; мажоритарные элементы 4 и 5 с обратной связью по входам 1, объединенными входами 2 и 3 (вход 2 элемента 5 инверсный); логический элемент 6 типа "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ", выход которого служит выходом устройства. Входы элемента 6 подключены к выходам блоков 2 5 соответственно, а входы 2 и 3 элементов 4 и 5 подключены к первому и второму выходам блока 1 (выходы формирователей 2 и 3).

Устройство работает следующим образом:
Сравниваемые синусоидальные величины e₁ и e₂ поступают на входы блока 1 и преобразуются посредством формирователей 2 и 3 в импульсные логические сигналы U₂ и U₃, присутствующие на выходах блока 1 в виде U_1.1 и U_1.2. При этом уровень 1 сигнала U₂(U_1.1) возникает при положительной величине e₁, а уровень 0 при отрицательной.

Аналогичная зависимость имеет место также между U₃(U_1.2) и e₂. Она легко реализуема, например, с помощью нуль-индикаторов в качестве формирователей 2 и3.

Сигналы U_1.1 и U_1.2 поступают на входы мажоритарных элементов 4 и 5, реализующие следующие логические функции:
U₄ U_1.1•U_1.2 + U_1.1•U₄ + U_1.2•U₄, (1)

При этом сигнал U₄ всегда равен тону сигналов U_1.2 и U_1.2, который отстает на фазе. По тому же признаку сигнал U₅ может быть равен сигналу (инверсия U_1.1) или U_1.2.

Логические сигналы U_1.1, U_1.2, U₄, U₅ подаются на входы элемента 6, реализующего логическую функцию. "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ":
U₆= U_1.1⊕ U_1.2⊕ U₄⊕ U₅. (3)
Согласно (3) сигнал U₆ на выходе элемента 6 имеет уровень 0 при четном или нулевом значении суммы входных логических сигналов и имеет уровень 1 при нечетном значении этой суммы. Первый уровень U₆ соответствует изменению фазового сдвига Φ между e₁ и e₂ в диапазоне от 0 до p а второй уровень от p до 2π
Следует заметить, что устройство работоспособно независимо от того, какой из входов (2 или 3) и какого из элементов (4 или 5) выполнен инверсным. При этом могут только поменяться местами логические уровни U₆ для упомянутых диапазонов v
Второй вариант функциональной схемы устройства (фиг. 2) отличается от первого (фиг. 1) только тем, что в блоке 1 дополнительно введены мажоритарные элементы 7 и 8, аналогичные 4 и 5 и реализующие такие же логические функции:
U₇ U_1.1 U₂•U₃ + U₂•U₇ + U₃•U₇, (4)

Благодаря этим операциям несколько повышается помехоустойчивость устройства, но снижается его быстродействие [3]
Работа остальных блоков схемы описана выше (функции (1) (3)) и поясняется временными диаграммами на фиг. 2.

Таким образом, выполнение устройства только на логических элементах позволяет повысить точность работы и надежность схемы за счет ее упрощения.

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при выполнении устройств релейной защиты и автоматики энергосистем, например, реле мощности или сопротивления. Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство, содержащее блок формирования прямоугольных импульсов из сравниваемых величин 1, состоящий из двух формирователей 2 и 3, входы и выходы которых являются входами и выходами блока, два мажоритарных элемента 4 и 5 с обратной связью по первым входам и объединенными по признаку одноименности вторыми и третьими входами, один из которых инверсный, причем эти объединенные входы попарно подключены к выходам блока формирования прямоугольных импульсов, дополнительно введен четырехвходовый элемент типа "Исключающее ИЛИ" 6, входы которого попарно подключены к выходам блока формирования и мажоритарных элементов, а выход служит выходом устройства. Кроме того, в блок формирования прямоугольных импульсов дополнительно введены два мажоритарных элемента 7 и 8, аналогичных упомянутым выше, причем их объединенные вторые и третьи входы подключены в выходам формирователей блока, а выходы служат выходами блока. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для сравнения фаз, содержащее блок формирования прямоугольных импульсов из сравниваемых величин и два мажоритарных элемента с обратной связью по первым входам и объединенными по признаку одноименности вторыми и третьими входами, один из которых выполнен инверсным, причем эти объединенные входы попарно подключены к выходам блока формирования прямоугольных импульсов, отличающееся тем, что дополнительно введен четырехвходовый логический элемент типа ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, входы которого попарно подключены к выходам блока формирования прямоугольных импульсов и мажоритарных элементов, а выход служит выходом устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования прямоугольных импульсов выполнен из двух формирователей и двух мажоритарных элементов с обратной связью по первым входам и объединенными по признаку одноименности вторыми и третьими входами, один из которых выполнен инверсным, причем входы формирователей служат входами блока формирования прямоугольных импульсов, выходами которого являются выходы мажоритарных элементов, чьи объединенные входы попарно подключены к выходам формирователей.