РЕЛЕ ЧАСТОТЫ Российский патент 2003 года по МПК H01H47/20 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве реле частоты.

Известно устройство, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик импульсов, дешифратор, формирователь импульсов и исполнительный элемент, выполненный в виде транзистора [1].

Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве реле частоты.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, содержащее последовательно соединенные разделительный трансформатор, частотный фильтр, первый частотно-зависимый элемент, первый пороговый блок, элемент ЗАПРЕТ, расширитель импульсов, усилитель и исполнительный элемент, второй частотно-зависимый элемент, вход которого соединен с выходом частотного фильтра, а выход - через ключ соединен со вторым входом первого порогового блока, последовательно соединенные делитель напряжения, вход которого соединен с выходом частотного фильтра, второй пороговый блок и дифференцирующий элемент, выход которого соединен со вторым входом дифференцирующего элемента, а также пусковой элемент, вход которого соединен с выходом разделительного трансформатора, а выход соединен со вторым входом расширителя импульсов [2].

Недостатком наиболее близкого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно одновременно может работать либо как реле понижения частоты, либо как реле повышения частоты.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, путем обеспечения одновременного выполнения функций реле повышения и понижения частоты.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные разделительный трансформатор, вход которого является информационным входом реле, частотный фильтр, делитель напряжения, первый пороговый блок с нулевым пороговым уровнем и дифференцирующий элемент, последовательно соединенные частотно-зависимый фазосдвигающий элемент, вход которого соединен с выходом частотного фильтра, и второй пороговый блок с нулевым пороговым уровнем, а также исполнительный элемент, введены первый формирователь импульсов, вход которого соединен с выходом дифференцирующего элемента, а выход - с первым входом первого элемента И, элемент задержки, второй элемент И, первый вход которого соединен со вторым выходом первого формирователя импульсов, а второй вход соединен с выходом второго порогового блока и со вторым входом первого элемента И, последовательно соединенные реверсивный счетчик, вход сложения которого соединен с выходом первого элемента И, а вход вычитания - с выходом второго элемента И, регистр памяти, двухпороговый компаратор и исполнительный элемент, последовательно соединенные одновибратор, вход которого является входом запуска реле частоты, а выход соединен с входом установки в ноль регистра памяти, и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с третьими входами первого и второго элементов И, второй формирователь импульсов, вход которого соединен со вторым выходом первого формирователя импульсов, а выход соединен со входом элемента задержки и с входом управления записью регистра памяти, первый элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом элемента задержки, второй вход - с выходом одновибратора, а выход соединен с входом установки в ноль реверсивного счетчика, формирователь цифрового кода опорного сигнала промышленной частоты, выход которого соединен со входом задания опорного сигнала промышленной частоты первого формирователя импульсов, который предназначен для формирования на его первом выходе импульса длительностью в четверть периода опорного сигнала промышленной частоты, передний фронт которого задается коротким импульсом на его входе, и для формирования на его втором выходе импульса, аналогичного импульсу на его первом выходе, передний фронт которого задается задним фронтом импульса на его первом выходе.

Кроме того, двухпороговый компаратор содержит третий и четвертый пороговые элементы, информационные входы которых объединены и являются входом двухпорогового компаратора, а также второй элемент ИЛИ, первый и второй входы которого соединены с выходом, соответственно, первого и второго пороговых элементов, а его выход является выходом двухпорогового компаратора. Кроме того, формирователь цифрового кода опорного сигнала промышленной частоты содержит последовательно соединенные третий элемент И, первый вход которого соединен с выходом первого порогового блока, а второй вход - с выходом генератора тактовых импульсов, счетчик импульсов, регистр сдвига, тактирующий вход которого соединен со входом установки в ноль счетчика импульсов и с выходом дифференцирующего элемента, кроме того, умножители, входы которых соединены с выходами соответствующих ячеек регистра сдвига, умножающие на коэффициенты, обратно пропорциональные номерам соответствующих ячеек, и соединенные выходами с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен со входом задания опорного сигнала промышленной частоты первого формирователя импульсов. При этом исполнительный элемент выполнен в виде реле с замыкающим контактом, обмотка которого непосредственно или через усилитель соединена с выходом двухпорогового компаратора.

На фиг.1 чертеже представлена электрическая структурная схема частотного реле, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Частотное реле (фиг. 1) содержит последовательно соединенные разделительный трансформатор 1, частотный фильтр 2, делитель 3 напряжения, первый пороговый блок 4, дифференцирующий элемент 5, первый формирователь 6 импульсов и первый элемент И 7, последовательно соединенные частотно-зависимый фазосдвигающий элемент 8, вход которого соединен с выходом частотного фильтра 2 и второй пороговый блок 9, второй элемент И 10, первый вход которого соединен со вторым выходом первого формирователя 6 импульсов, а второй вход соединен с выходом второго порогового блока 9 и со вторым входом первого элемента И 7, элемент 11 задержки, последовательно соединенные реверсивный счетчик 12, вход сложения которого соединен с выходом первого элемента И 7, а вход вычитания соединен с выходом второго элемента И 10, регистр 13 памяти, третий пороговый блок 14 и второй элемент ИЛИ 15, выход которого соединен со входом исполнительного элемента 16, четвертый пороговый блок 17, вход которого соединен с выходом регистра 13 памяти, а выход -соединен со вторым входом второго элемента ИЛИ 15, последовательно соединенные одновибратор 18, выход которого соединен с входом установки в ноль регистра 13 памяти, и генератор 19 тактовых импульсов (ГТИ), выход которого соединен с третьими входами первого 7 и второго 10 элементов И, второй формирователь 20 импульсов, вход которого соединен со вторым выходом первого формирователя 6 импульсов, а выход соединен со входом элемента задержки 11 и с входом управления записью регистра 13 памяти, первый элемент ИЛИ 21, первый вход которого соединен с выходом элемента задержки 11, второй вход соединен с выходом одновибратора 18, а выход соединен с входом установки в ноль реверсивного счетчика 13, последовательно соединенные третий элемент И 22, первый вход которого соединен с выходом первого порогового блока 4, а второй вход соединен с выходом генератора 19 тактовых импульсов, счетчик 23 импульсов, регистр 24 сдвига, управляющий вход которого соединен со входом установки в ноль счетчика 23 импульсов и с выходом дифференцирующего элемента 5, группа умножителей 25 и сумматор 26, выход которого соединен со входом задания опорного сигнала промышленной частоты первого формирователя 6 импульсов. Третий 14 и четвертый 17 пороговые блоки и второй элемент 15 ИЛИ образуют двухпороговый компаратор 27, а третий элемент 22 И, счетчик 23 импульсов, регистр 24 сдвига, группа умножителей 25 и сумматор 26 образуют формирователь 28 цифрового кода опорного сигнала промышленной частоты.

Исполнительный элемент 16 может быть выполнен в виде реле с замыкающим контактом, обмотка которого непосредственно или через усилитель соединена с выходом двухпорогового компаратора 2. Дифференцирующий элемент 5 формирует короткий импульс по фронту входного импульса на его входе. При использовании стандартного дифференцирующего элемента в его составе в качестве выходного узла может быть использован ограничитель отрицательных сигналов. Первый формирователь 6 импульсов по короткому импульсу с выхода дифференцирующего элемента 5 формирует на первом своем выходе импульс, длительностью в четверть периода опорного сигнала промышленной частоты, а на втором выходе - импульс той же длительности, сразу после первого. Управление длительностью импульса производится кодом сигнала с выхода сумматора 26. Второй формирователь 20 импульсов формирует короткий импульс по заднему фронту импульса, поступающего на его вход сигнала. Разделительный трансформатор 1, частотный фильтр 2 и делитель напряжения 3 могут иметь ту же конструкцию, что и в прототипе, а пример конструктивного выполнения частотно-зависимого фазосдвигающего элемента 8 приведен в [2, стр.52, рис. 1.14]. Первый 4 и второй 9 пороговые блоки являются аналоговыми компараторами, а третий 14 и четвертый 17 пороговые блоки - цифровыми компараторами. Остальные блоки являются стандартными элементами электронной техники.

На фиг.2 представлены сигналы на выходе частотного фильтра 2 (фиг.2,а), на выходе первого порогового блока 4 (фиг.2,6), на выходе второго порогового блока 9 (фиг.2, в), на выходе реверсивного счетчика 12 (фиг.2,г) и первого элемента ИЛИ 15 (фиг.2,д).

Частотное реле работает следующим образом.

При включении устройства питание подается на все его элементы, в том числе, на вход одновибратора 18, который вырабатывается одиночный импульс, поступающий на вход запуска ГТИ 19, на вход установки в нулевое состояние регистра 13 памяти, через второй элемент ИЛИ 21 - на вход установки в ноль реверсивного счетчика 12 и на вход установки в начальное состояние регистра 24 сдвига. Во всех ячейках регистра 24 устанавливается код промышленной или текущей частоты входного сигнала. Этот код является опорным кодом для начала работы реле частоты.

На вход разделительного трансформатора 1 поступает входной сигнал, из которого частотный фильтр 2 устраняет влияние высших гармоник (фиг.2,а). Поэтому на выходе первого порогового блока 4 (с нулевым пороговым уровнем) формируется последовательность прямоугольных импульсов (фиг.2,б), длительность которых равна половине периода входного сигнала, равного или близкого промышленной частоте. Дифференцирующий элемент 5 формирует короткие импульсы из передних фронтов его входной последовательности, а первый формирователь 6 импульсов преобразует их в два последовательных импульса длительностью в четверть периода входного сигнала. Первый сформированный импульс поступает на вход первого элемента И 7, а второй - на вход второго элемента И 10.

Одновременно с этим выходной сигнал частотного фильтра 2 поступает на вход частотно-зависимого элемента 8. В зависимости от отклонения частоты первой гармоники входного сигнала от промышленной частоты частотно-зависимый элемент 8 производит сдвиг фазы сигнала в положительную или отрицательную сторону, поэтому на выходе второго порогового блока 9 (с нулевым пороговым уровнем) формируется последовательность импульсов (фиг.2,в), которая отличается от последовательности импульсов на выходе первого порогового блока 4 положением на временной оси относительно импульсов входной последовательности.

В результате, через первый элемент И 7 на суммирующий вход реверсивного счетчика 12 поступают счетные импульсы ГТИ 19 в течение интервала совпадения первой половины полупериода входного сигнала со сдвинутым (частотно-зависимым элементом 8) сигналом. Аналогично на вычитающий вход реверсивного счетчика 12 поступают счетные импульсы ГТИ 19 в течение интервала совпадения второй половины полупериода входного сигнала со сдвинутым (частотно-зависимым элементом 8) сигналом. В зависимости от направления сдвига частоты входного сигнала по окончании второй половины полупериода входного сигнала на выходе реверсивного счетчика 12 сформируется положительный или отрицательный сигнал, амплитуда которого пропорциональна сдвигу частоты входного сигнала от номинальной промышленной частоты. Сформированный в реверсивном счетчике 12 сигнал в цифровом виде переписывается в регистр 13 памяти, а содержимое реверсивного счетчика 12 обнуляется. Это осуществляется по сигналу второго формирователя 20, который вырабатывает короткий импульс по заднему фронту своего входного импульса. Этот импульс поступает на вход управления записью регистра 14 памяти и через элемент задержки 11 и второй элемент ИЛИ 21 - на вход установки в ноль реверсивного счетчика 12. Задержка сигнала необходима для синхронного управления процессами записи информации из реверсивного счетчика 12 в регистр 13 памяти с последующим обнулением реверсивного счетчика 12.

Сигнал регистра 13 памяти сравнивается с верхним пороговым уровнем в третьем пороговом блоке 14 и с нижним пороговым уровнем в четвертом пороговом блоке 17. При выходе сигнала регистра 13 памяти за эти пороги на выходе третьего порогового блока 14 или четвертого порогового блока 17 формируется сигнал с уровнем логической единицы, который проходит через первый элемент ИЛИ 15 на вход исполнительного элемента 16. Реле частоты срабатывает. При возвращении частоты входного сигнала в допустимые пределы отклонения от промышленной частоты на выходах третьего 14 или четвертого 17 пороговых блоков сигналы с уровнем логической единицы не образуются и реле частоты переходит или остается в исходном состоянии.

При этом, для исключения влияния изменения (уменьшения или увеличения) длительности периода входного сигнала на работу реле частоты предусмотрена оценка длительности полупериода входного сигнала. Для этого сигнал с выхода первого порогового блока поступает на вход третьего элемента И 22, на другой вход которого поступают импульсы ГТИ 19. В результате счетчик 23 в течение длительности импульса с выхода первого порогового блока 4 определяет длительность полупериода входного сигнала и соответствующая оценка поступает в регистр 24 сдвига. В начальный период в нем записаны коды, соответствующие промышленной или текущей частоте сигнала и постепенно эти коды заменяются на несколько соседних отсчетов полупериодов входного сигнала. В умножителях группы 25 эти отсчеты умножаются на коэффициенты, обратно пропорциональные номерам ячеек регистра 24. Поэтому на выходе сумматора 26 формируется усредненный код длительности полупериода входного сигнала, который управляет длительностью импульсов первого формирователя 6 импульсов.

Таким образом, благодаря введению новых блоков и связей расширяются функциональные возможности реле частоты, поскольку оно позволяет одновременно реагировать на недопустимые отклонения частоты входного сигнала как в сторону повышения, так и в сторону понижения.

Источники информации
1. Электротехнический справочник, в 4-х томах, т.2. Электротехнические изделия и устройства. Под общей редакцией В.Г. Герасимов и др. - М.: Издательство МЭИ, 1998 г., с.390, рис.35.10.

2. В.А. Андреев. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991, с. 122, рис.3.29. (прототип).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для контроля отклонений промышленной частоты от номинального значения. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения одновременного выполнения функций реле повышения и понижения частоты. Для этого выполнения реле частоты содержит последовательно соединенные разделительный трансформатор, частотный фильтр, делитель напряжения, первый пороговый блок, дифференцирующий элемент, первый формирователь импульсов и первый элемент И, последовательно соединенные частотно-зависимый фазосдвигающий блок и второй пороговый блок, второй элемент И, последовательно соединенные реверсивный счетчик, регистр памяти, двухпороговый компаратор и исполнительный элемент, последовательно соединенные одновибратор, выход которого соединен с входом установки в ноль регистра памяти, и генератор тактовых импульсов, последовательно соединенные второй формирователь импульсов, элемент задержки и первый элемент ИЛИ, а также формирователь цифрового кода опорного сигнала промышленной частоты, выход которого соединен со входом задания опорного сигнала промышленной частоты первого формирователя импульсов. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Реле частоты, содержащее последовательно соединенные разделительный трансформатор, вход которого является информационным входом реле, частотный фильтр, делитель напряжения, первый пороговый блок с нулевым пороговым уровнем и дифференцирующий элемент, последовательно соединенные частотно-зависимый фазосдвигающий элемент, вход которого соединен с выходом частотного фильтра, и второй пороговый блок с нулевым пороговым уровнем, а также исполнительный элемент, отличающееся тем, что введены первый формирователь импульсов, вход которого соединен с выходом дифференцирующего элемента, а выход - с первым входом первого элемента И, элемент задержки, второй элемент И, первый вход которого соединен со вторым выходом первого формирователя импульсов, а второй вход соединен с выходом второго порогового блока и со вторым входом первого элемента И, последовательно соединенные реверсивный счетчик, вход сложения которого соединен с выходом первого элемента И, а вход вычитания - с выходом второго элемента И, регистр памяти, двухпороговый компаратор и исполнительный элемент, последовательно соединенные одновибратор, вход которого является входом запуска реле частоты, а выход соединен с входом установки в ноль регистра памяти, и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с третьими входами первого и второго элементов И, второй формирователь импульсов, вход которого соединен со вторым выходом первого формирователя импульсов, а выход соединен со входом элемента задержки и с входом управления записью регистра памяти, первый элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом элемента задержки, второй вход - с выходом одновибратора, а выход соединен с входом установки в ноль реверсивного счетчика, формирователь цифрового кода опорного сигнала промышленной частоты, выход которого соединен со входом задания опорного сигнала промышленной частоты первого формирователя импульсов, который предназначен для формирования на его первом выходе импульса длительностью в четверть периода опорного сигнала промышленной частоты, передний фронт которого задается коротким импульсом на его входе, и для формирования на его втором выходе импульса аналогичного импульсу на его первом выходе, передний фронт которого задается задним фронтом импульса на его первом выходе. 2. Реле по п. 1, отличающееся тем, что формирователь цифрового кода опорного сигнала промышленной частоты содержит последовательно соединенные третий элемент И, первый вход которого соединен с выходом первого порогового блока, а второй вход - с выходом генератора тактовых импульсов, счетчик импульсов, регистр сдвига, управляющий вход которого соединен со входом установки в ноль счетчика импульсов и с выходом дифференцирующего элемента, кроме того, умножители, входы которых соединены с выходами соответствующих ячеек регистра сдвига, умножающие на коэффициенты, обратно пропорциональные номерам соответствующих ячеек, и соединенные выходами с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен со входом задания опорного сигнала промышленной частоты первого формирователя импульсов. 3. Реле по п.1 или 2, отличающееся тем, что исполнительный элемент выполнен в виде реле с замыкающим контактом, обмотка которого непосредственно или через усилитель соединена с выходом двухпорогового компаратора.