СЧЕТЧИК КРИТИЧЕСКИХ ВЫБРОСОВ И ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ И СУММАРНОГО ВРЕМЕНИ ОТКАЗОВ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H03K5/153 H03K5/1532 

Изобретение относится к области информационно-измерительной и вычислительной техники и предназначено для подсчета выбросов или провалов напряжения, длительность превышения которыми различных уровней анализа больше заданных критических значений, а также определения суммарного времени отказов электрооборудования при нестационарном напряжении в электрических сетях.

Известен детектор колебаний напряжения [1], содержащий входной преобразователь переменного напряжения в постоянное, к выходу которого подключен самопишущий прибор или шлейфовый осциллограф.

Недостатками аналога являются большие затраты средств на носитель регистрации изменений напряжения, а также значительная трудоемкость и большие затраты времени на обработку регистрограмм.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является регистратор импульсных помех [2], содержащий преобразователь переменного напряжения в постоянное, информационный ключ, время-амплитудный преобразователь, два амплитудно-временных преобразователя, два аналого-цифровых преобразователя, регистр счетчиков, электронные часы, триггер, три элемента задержки, три кнопки управления, цифропечатающую машину (перфоратор).

Недостатками прототипа являются громоздкость, низкое быстродействие, значительная трудоемкость и большие затраты времени на обработку перфолент, а также невозможность определения суммарного времени отказов электрооборудования.

Технические задачи, решаемые изобретением - упрощение счетчика, повышение удобства эксплуатации и расширение функциональных возможностей.

Указанные технические задачи решаются благодаря тому, что в регистратор импульсных помех, содержащий преобразователь переменного напряжения в постоянное, вход которого подключен ко входному зажиму устройства, SR-триггер, дополнительно введены блок вычитания, инвертор, переключатель, источник опорных напряжений, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, первый и второй n-входовые (где n - число уровней анализа модуля амплитуды выбросов или провалов напряжения) элементы ИЛИ, n компараторов, n+1 элементов И, 2n+1 одновибраторов, причем в каждом i-том (где i = 1...n) канале вход опорного напряжения компаратора подключен к i-тому выходу источника опорных напряжений, выход компаратора соединен с первым входом элемента И и прямым входом первого одновибратора, инверсный выход которого через второй одновибратор соединен со вторым входом элемента И, выход которого соединен с i-м входом первого элемента ИЛИ, выход которого через (2n+1)-й одновибратор соединен с объединенными тактовым входом первого счетчика и входом установки единицы SR-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом (n+1)-го элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход соединен с тактовым входом второго счетчика, выход преобразователя переменного напряжения в постоянное соединен со входом уменьшаемого блока вычитания, вход вычитаемого которого подключен к (n+1)-му выходу источника опорных напряжений, а выход соединен со входом инвертора и первым зажимом переключателя, второй зажим которого подключен к выходу инвертора, а общий зажим соединен с объединенными между собой информационными входами компараторов всех каналов, выходы которых через второй элемент ИЛИ соединены со входом установки нуля SR-триггера; блок вычитания содержит операционный усилитель, выход которого является выходом блока вычитания и через резистор обратной связи соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который через первый входной резистор подключен ко входу вычитаемого блока вычитания, вход уменьшаемого которого через второй входной резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, который соединен с шиной нулевого потенциала через дополнительный резистор; инвертор содержит операционный усилитель, выход которого является выходом инвертора и через резистор обратной связи соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который через входной резистор подключен ко входу инвертора, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с шиной нулевого потенциала.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения являются использование новых элементов (блока вычитания, инвертора, переключателя, источника опорных напряжения, первого и второго счетчиков, первого и второго n-входовых элементов ИЛИ, n компараторов, n+1 элементов И, 2n+1 одновибратора, SR-триггера, генератора прямоугольных импульсов) и новых связей между ними. Эти существенные отличия обеспечивают достижение положительного эффекта - упрощения счетчика, повышения удобства его эксплуатации и расширения функциональных возможностей.

На фиг.1 представлена структурная схема счетчика, на фиг.2 и 3 предложены варианты реализации схем блока вычитания и инвертора, на фиг.4 изображены граничные кривые зависимостей амплитуды выбросов и провалов напряжения от длительности между областями их критических и допустимых значений, на фиг.5 приведены графики изменений напряжения на элементах схемы счетчика при стационарном, а на фиг.6 - при нестационарном напряжении.

Счетчик содержит преобразователь 1 переменного напряжения в постоянное (ППНП), вход которого подключен ко входному зажиму 2 счетчика, а выход соединен со входом уменьшаемого блока 3 вычитания (БВ), вход вычитаемого которого подключен к (n+1)-му выходу источника 4 опорных напряжений (ИОН), а выход соединен со входом инвертора 5 и первым зажимом переключателя 6, второй зажим которого подключен к выходу инвертора 5, а общий зажим соединен с объединенными между собой информационными входами n (где n - число уровней анализа модуля амплитуды выбросов или провалов напряжения) компараторов 7 - 9 всех каналов, 2n одновибраторов 10 - 15, n элементов И 16 - 18, причем в каждом i-том (где i = 1...n), например, втором, канале вход опорного напряжения компаратора 8 подключен к i-тому (в рассматриваемом случае ко второму) выходу ИОН 4, выход компаратора 8 соединен с первым входом элемента И 17 и прямым входом первого одновибратора 11, инверсный выход которого через второй одновибратор 14 соединен со вторым входом элемента И 17, выходы элементов И 16 - 18 всех каналов соединены со входами первого элемента ИЛИ 19, выход которого через (2n+1)-й одновибратор 20 соединен с объединенными тактовым входом первого счетчика 21 и входом установки единицы SR-триггера 22, прямой выход которого соединен с первым входом (n+1)-го элемента И 23, второй вход которого подключен к выходу генератора 24 прямоугольных импульсов (ГПИ), а выход соединен с тактовым входом второго счетчика 25, выходы n компараторов 7 - 9 всех каналов через второй элемент ИЛИ 26 соединены со входом установки нуля SR-триггера 22.

Блок 3 вычитания (фиг.2) содержит операционный усилитель (ОУ) 27, выход которого является выходом БВ 3, который через резистор 28 обратной связи соединен с инвертирующим входом ОУ 27 и через первый входной резистор 29 подключен ко входу вычитаемого БВ 3, вход уменьшаемого которого через второй входной резистор 30 соединен с неинвертирующим входом ОУ 27, который через дополнительный резистор 31 соединен с шиной нулевого потенциала.

Инвертор 5 (фиг. 3) содержит ОУ 32,выход которого является выходом инвертора 5, который через резистор 33 обратной связи соединен с инвертирующим входом ОУ 32, который через входной резистор 34 подключен ко входу инвертора 5, неинвертирующий вход ОУ 32 соединен с шиной нулевого потенциала.

Счетчик работает следующим образом.

Исследования, проведенные в [3 - 6] показывают, что отказ электрооборудования (Э0) происходит в том случае, если превышаются параметры двух характеристик выбросов (или провалов) напряжения: амплитуда (у провала - глубина) и длительность превышения уровня. На фиг.4 приведены граничные зависимости U_кр(t_кр) критических значений уровня напряжения U_кр от критической допустимой длительности его превышения t_кр, (см. кривые 1 и 2 на фиг.4, соответственно, для выбросов и провалов напряжения), разделяющие квадранты U_в0t и U_п0t значений параметров, соответственно, выбросов и провалов напряжения) на области 1 и 2, соответственно, работоспособного и неработоспособного состояния ЭО.

Рассмотрим работу счетчика при стационарном напряжении на примере анализа и фиксации выброса напряжения, изображенного на фиг.5 (см. напряжение U₃). В этом случае переключатель 6 находится в нижнем положении.

Уровни срабатывания U_опi компараторов 7 - 9, которые задаются группой из n нижних выходов ИОН 4, соответствуют критическим уровням напряжения взятым на перегибе кривой 1 на фиг. 4:




Каждому критическому уровню анализа выброса напряжения соответствует критическая длительность (см. фиг.4) его превышения.

Длительность выходных импульсов одновибраторов 10 - 12 задается равной критической длительности



Напряжение на (n+1)-м выходе ИОН 4 соответствует номинальному напряжению сети U_н.

Преобразователь 1 осуществляет преобразование переменного напряжения сети u(t) в постоянное напряжение, пропорциональное действующему значению контролируемого напряжения U(t).

Напряжение с выхода ППНП 1 поступает на вход уменьшаемого БВ 3, ко входу вычитаемого которого приложено номинальное напряжение сети U_н с выхода ИОН 4. В результате на выходе БВ 3 появляется напряжение (см. фиг.5):
U₃ = U(t) - U_н. (1)
Это напряжение без изменений через переключатель 6 (который находится в нижнем положении) подается на объединенные информационные входы компараторов 7 - 9.

В процессе нарастания напряжение U₃ в момент времени t на фиг.5 превышает уровень срабатывания компаратора 7 первого канала U_оп1, который в этом случает срабатывает и своим выходным напряжением запускает одновибратор 10. Напряжение на инверсном выходе одновибратора 10 при его запуске переходит из единичного состояния в нулевое, причем длительность такого отрицательного импульса на выходе одновибратора 10 равняется
При дальнейшем нарастании напряжение U₃ в момент времени t₂ на фиг.5 превышает уровень срабатывания компаратора 8 второго канала U_оп2, который своим выходным напряжением запускает одновибратор 11. Длительность выходного отрицательного импульса одновибратора 11 равняется
В момент времени t₃ выходной отрицательный импульс одновибратора 11 заканчивается и своим передним фронтом запускает одновибратор 14.

Поскольку в этот момент времени к первому входу элемента И 17 приложено единичное напряжение с выхода компаратора 8, то элемент И 17 пропускает выходной импульс одновибратора 14 на вход элемента ИЛИ 19. Выходной импульс элемента ИЛИ 19 запускает одновибратор 20, выходной импульс которого увеличивает содержимое счетчика 21 на единицу.

Таким образом после соответствующей идентификации засчитывается выброс напряжения с критическими параметрами.

При анализе провалов напряжения переключатель 6 переводится в верхнее положение. В этом случае на объединенные информационные входы компараторов 7 - 9 подается напряжение:
U₅ = - [U(t) - U_н]. (2)
В остальном при анализе провалов напряжения работа счетчика аналогична описанной выше при анализе выбросов.

Рассмотрим работу счетчика при нестационарном напряжении на примере анализа и фиксации выброса напряжения, изображенного на фиг.6 (см. напряжение U₃).

При нестационарном напряжении в сети длительное время имеют место большие отклонения напряжения. В этом случае также длительное время могут быть превышены уровни срабатывания части компараторов 7 - 9. В такой ситуации происходит отказ ЭО без восстановления работоспособного состояния на длительное время. Учет суммарного времени отказов ЭО выполняется счетчиком 25 следующим образом.

При идентификации выброса напряжения на фиг.6 в момент времени t₁ на выходе одновибратора 20 появляется отрицательный импульс напряжения, который переводит в единичное состояние SR-триггер 22. Напряжение с прямого выхода последнего прикладывается к первому входу элемента И 23, который при этом начинает пропускать импульсы с выхода ГПИ 24 (частота которых f может быть выбрана равной, например, 1 Гц). Счетчиком 25 подсчитывается количество N импульсов ГПИ 24, по которому может быть определено суммарное время Т_ОТ пребывания ЭО в отказавшем состоянии:

где Т_от - суммарное время отказов электрооборудования за время контроля (сутки, неделя, месяц и т.д.), выраженное в секундах;
N - показания счетчика 22;
f - частота ГПИ 24.

Преимуществами предлагаемого технического решения по сравнению с известными является упрощение счетчика, повышение удобства его эксплуатации и расширение функциональных возможностей. Схема счетчика проста и легко реализуется на интегральных микросхемах отечественного производства.

Список использованных источников информации
1. Ахалкаци В. Г., Церетели К.О., Блеткин Н.П. Детектор колебаний напряжения//Сообщение АН ГССР. Электромеханика 64. - 1971. - 2.

2. Корнеев Б.А., Самуйтис В.П. Регистратор импульсных помех // Помехи в цифровой технике: Сб. материалов науч.-техн. конф. /Под ред. И.С. Гурвича. - Вильнюс: Респ. ин-т науч.-техн. информации и пропаганды, 1969. - С.136-138 (прототип).

3. Тэндон М. Л. Применение имитаторов помех для выявления схем, чувствительных к сетевым помехам //Электроника. - 1966. - 5. - С. 33-38.

4. Ермаков В.Ф., Черепов В.И. Метод автоматического определения критических значений характеристик резкопеременного изменения напряжения для одиночных электроприемников // Повышение эффективности электроснабжения сельскохозяйственных потребителей: Тез. докл. Краевой науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов. - Краснодар: КПИ, 1983. - С. 46-48.

5. Гурвич И.С. Защита ЭВМ от внешних помех. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 224 с.

6. Ермаков В. Ф. , Черепов В.И. Экспериментальное исследование влияния провалов напряжения питающей сети на работу электроприемников //Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 1997. - 1. - С.38-41.

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и предназначено для подсчета выбросов или провалов напряжения, длительность превышения которыми различных уровней анализа больше заданных критических значений, а также определения суммарного времени отказов электрооборудования при нестационарном напряжении в электрических сетях. Техническим результатом является упрощение счетчика, повышение удобства его в эксплуатации и расширение функциональных возможностей. Технический результат достигается за счет того, что счетчик содержит преобразователь переменного напряжения в постоянное, блок вычитания, источник опорных напряжений, инвертор, переключатель, n (где n - число уровней анализа модуля амплитуды выбросов или провалов напряжения) компараторов, 2n+1 одновибраторов, n+1 элементов И, два элемента ИЛИ, два счетчика, SR-триггер, генератор прямоугольных импульсов. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Счетчик критических выбросов и провалов напряжения и суммарного времени отказов электрооборудования, содержащий преобразователь переменного напряжения в постоянное, вход которого подключен ко входному зажиму устройства, SR-триггер, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок вычитания, инвертор, переключатель, источник опорных напряжений, генератор прямоугольных импульсов, первый и второй счетчики, первый и второй n-входовые (где n - число уровней анализа модуля амплитуды выбросов или провалов напряжения) элементы ИЛИ, n компараторов, n + 1 элементов И, 2n + 1 одновибраторов, причем в каждом i-м, где i = 1. . . n, канале вход опорного напряжения компаратора подключен к i-му выходу источника опорных напряжений, выход компаратора соединен с первым входом элемента И и прямым входом первого одновибратора, инверсный выход которого через второй одновибратор соединен со вторым входом элемента И, выход которого соединен с i-м входом первого элемента ИЛИ, выход которого через (2n + 1)-й одновибратор соединен с объединенными тактовым входом первого счетчика и входом установки единицы SR-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом (n + 1)-го элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход соединен с тактовым входом второго счетчика, выход преобразователя переменного напряжения в постоянное соединен со входом уменьшаемого блока вычитания, вход вычитаемого которого подключен к (n + 1)-му выходу источника опорных напряжений, а выход соединен со входом инвертора и первым зажимом переключателя, второй зажим которого подключен к выходу инвертора, а общий зажим соединен с объединенными между собой информационными входами компараторов всех каналов, выходы которых через второй элемент ИЛИ соединены со входом установки нуля SR-триггера. 2. Счетчик по п. 1, отличающийся тем, что блок вычитания содержит операционный усилитель, выход которого является выходом блока вычитания и через резистор обратной связи соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который через первый входной резистор подключен ко входу вычитаемого блока вычитания, вход уменьшаемого которого через второй входной резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, который соединен с шиной нулевого потенциала через дополнительный резистор. 3. Счетчик по п. 1, отличающийся тем, что инвертор содержит операционный усилитель, выход которого является выходом инвертора и через резистор обратной связи соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, который через входной резистор подключен ко входу инвертора, неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с шиной нулевого потенциала.