РЕЛЕ РАЗНОСТИ ЧАСТОТ Российский патент 2003 года по МПК H01H47/20 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах релейной защиты в качестве реле разности частот сети и генератора.

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

Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве реле разности частот.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее первый и второй выпрямительные блоки, выполненные в виде диодов, катод и анод которых являются соответственно клеммой напряжения генератора и клеммой напряжения сети, сумматор, первый и второй входы которого соединены соответственно с анодом первого и с катодом второго диодов, первый и второй операционные усилители, являющиеся соответственно повторителем и компаратором, входы которых соединены с выходом сумматора, третий и четвертый диоды, аноды которых соединены с выходами первого и второго операционных усилителей соответственно, умножитель, входы которого соединены с катодами третьего и четвертого диодов, первый и второй инверторы, входы которых соединены соответственно с катодами третьего и четвертого диодов [2].

Недостатком наиболее близкого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно вырабатывает сигнал примерного равенства амплитуды напряжений сети и генератора, что указывает на временной интервал возможной подстройки частоты генератора к частоте сети, но не вырабатывает сигнала допустимого (или недопустимого) рассогласования частот генератора и сети в интервале возможной подстройки.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее первый выпрямительный блок, вход которого является входом для подключения напряжения генератора, второй выпрямительный блок, вход которого является входом для подключения напряжения сети, первый алгебраический сумматор, вход вычитания и вход ссложения которого соединены с выходами соответственно первого и второго выпрямительных блоков, а также первый компаратор, вход которого соединен с выходом алгебраического сумматора, введены второй алгебраический сумматор, второй, третий, четвертый и пятый компараторы, первый и второй формирователи импульсов типа "меандр", элементы И с первого по четвертый, элемент ИЛИ, генератор тактовых импульсов, счетчик, регистр сдвига, фильтр-усреднитель и формирователь импульса по заднему фронту, при этом вход второго компаратора соединен с выходом первого алгебраического сумматора, первый и второй входы первого элемента И соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов, а выход соединен с первым входом четвертого элемента И и с управляющим входом генератора тактовых импульсов, выход которого соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, выходы которых соединены соответственно с первым и со вторым входами элемента ИЛИ, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с информационным входом регистра сдвига, первый и второй выходы которого соединены с входами сложения и вычитания второго алгебраического сумматора, выход которого соединен с информационным входом фильтра-усреднителя, выход которого соединен с входом пятого компаратора, выход "больше" которого соединен со вторым входом четвертого элемента И, входы первого и второго формирователей импульсов соединены с входами соответственно первого и второго выпрямительных блоков, а выходы - с входами соответственно третьего и четвертого компараторов, выходы "больше" которых соответственно соединены со вторым и третьим входами второго элемента И, а выходы "меньше" соответственно соединены со вторым и третьим входами третьего элемента И, вход формирователя импульса по заднему фронту соединен с входом второго формирователя импульсов, а выход - с входом установки в ноль счетчика и с тактовыми входами регистра сдвига и фильтра-усреднителя.

Кроме того, выход формирователя импульса по заднему фронту соединен со входом установки в ноль счетчика через элемент задержки.

Кроме того, каждый из фильтров-усреднителей содержит регистр сдвига, информационный и тактовый входы которого являются соответственно информационным и тактовым входами фильтра-усреднителя, выходы регистра сдвига через умножитель на величину, обратно пропорциональную числу выходов регистра сдвига, соединены со входами сумматора, выход которого является выходом фильтра-усреднителя.

Кроме того, первый компаратор имеет отрицательный порог срабатывания, а второй компаратор имеет положительный порог срабатывания.

На фиг.1 представлена электрическая структурная схема реле разности частот; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие его работу.

Реле разности частот (фиг.1) содержит первый выпрямительный блок 1, вход которого является входом напряжения генератора, второй выпрямительный блок 2, вход которого является входом напряжения сети, первый алгебраический сумматор 3, вход вычитания и вход суммирования которого соединены с выходами соответственно первого 1 и второго 2 выпрямительных блоков, а также первый 4 и второй 5 компараторы, входы которых соединены с выходом первого алгебраического сумматора 3, первый элемент И 6, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого 4 и второго 5 компараторов, первый 7 и второй 8 формирователи импульсов, входы которых соединены с входами соответственно первого 1 и второго 2 выпрямительных блоков, а выходы соединены с входами соответственно третьего 9 и четвертого 10 компараторов, второй 11 и третий 12 элементы И, элемент ИЛИ 13, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно второго 11 и третьего 12 элементов И, счетчик 14, счетный вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ 13, регистр сдвига 15, информационный вход которого соединен с выходом счетчика 14, второй алгебраический сумматор 16, входы сложения и вычитания которого соединены с соответствующими выходами регистра-сдвига 15, фильтр-усреднитель 17, информационный вход которого соединен с выходом второго алгебраического сумматора 16, пятый компаратор 18, вход которого соединен с выходом фильтра-усреднителя 17, четвертый элемент И 19, первый вход которого соединен с выходом первого элемента И 6, а второй вход соединен с выходом "больше" пятого компаратора 18, генератор 20 тактовых импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом первого элемента И 6, а выход соединен с первыми входами второго 12 и третьего 13 элементов И, вторые и третьи входы второго элемента И 11 соединены с выходами "больше" третьего 9 и четвертого 10 компараторов, выходы "меньше" которых соединены со вторыми и третьими входами третьего элемента И 12, и формирователь 21 импульса по заднему фронту, вход которого соединен с входом второго формирователя 8 импульсов, а выход соединен с входом установки в ноль счетчика 14 и с тактовыми входами регистра сдвига 15 и фильтра-усреднителя 17.

Формирователь 21 вырабатывает короткий импульс в конце каждого периода сигнала сети по спаду импульса с положительного уровня на отрицательный. Фильтр-усреднитель 17 содержит регистр сдвига, информационный вход и вход управления (тактовый вход) которого являются соответственно информационным и управляющим (тактовым) входом фильтра-усреднителя, а выходы регистра сдвига через умножители на величину, обратно пропорциональную числу ячеек (выходов) регистра сдвига, соединены с входами сумматора, выход которого является выходом фильтра-усреднителя. Остальные блоки устройства являются стандартными блоками электротехники. Цепи питания блоков на чертеже опущены как несущественные.

На фиг.2,а представлены временные диаграммы сигналов U7 на выходе формирователя 7; на фиг. 2, б - на выходе формирователя 8 U8;, на фиг.2,в - на выходе фильтра-усреднителя 17 U17; на фиг.2,г - на выходе четвертого элемента И 19.

Работает реле разности частот следующим образом.

Сигналы напряжений внешнего генератора Uг и сети Uc поступают на входы первого 1 и второго 2 выпрямительных блоков соответственно. На выходе алгебраического сумматора 3 формируется разностный сигнал U3=Uг-Uc. На выходе первого компаратора 4 сигнал логической единицы формируется при условии, когда разностный сигнал больше некоторого незначительного отрицательного порога (U3>Uп-), а на выходе второго компаратора 5 - при условии, когда разностный сигнал меньше незначительного верхнего порога (U3<Uп+). Следовательно, на выходе первого элемента И 6 сигнал логической единицы формируется при условии примерного равенства амплитуд напряжений внешнего генератора и сети.

Кроме того, на выходе первого 7 формирователя импульсов формируется сигнал типа "меандр" из напряжения генератора (фиг.2,а), а на выходе второго формирователя 8 - сигнал типа "меандр" из напряжения сети (фиг.2,б). Эти сигналы сравниваются с нулевыми уровнями в третьем 9 и четвертом 10 компараторах. В результате на выходе второго элемента И 11 формируется сигнал логической единицы при условии, когда сигналы на выходе первого 7 и второго 8 формирователей положительны, а на выходе третьего элемента И 12 формируется сигнал логической единицы при условии, когда сигналы на выходе первого 7 и второго 8 формирователей отрицательны. Элемент ИЛИ 13 объединяет сигналы с выходов второго 11 и третьего 12 элементов И. Поэтому сигналы генератора 20 тактовых импульсов, который включается при наличии сигнала логической единицы на выходе первого элемента И 6, т.е. при условии примерного равенства сигналов внешнего генератора и сети, поступают на вход счетчика 14 только при условии совпадения знаков сигналов с выходов первого 7 и второго 8 формирователей. В эти временные отрезки импульсы генератора 17 поступают на вход счетчика 14 и подсчитываются им.

В конце каждого периода сигнала сети по спаду импульса с положительного уровня на отрицательный формирователь 21 вырабатывает короткий импульс, по которому содержимое счетчика 14 переписывается в регистр сдвига 15, содержащий две ячейки для записи двух соседних отсчетов, каждый из которых отражает величину сдвига фазы напряжений внешнего генератора и сети, а содержимое второго алгебраического сумматора 16 переписывается в регистр сдвига фильтра-усреднителя 17. После этого и содержимое счетчика 14 обнуляется. Это обеспечивается либо управлением регистров и счетчика 14 по разным фронтам короткого импульса с выхода формирователя 21 (счетчик 14 - по заднему, а регистры - по переднему фронту указанного импульса), либо установкой на входе установки в ноль счетчика 14 элемента задержки.

Отсчеты с выхода счетчика 14 поступают во второй алгебраический сумматор 16, в котором формируется разность (приращение или дифференциал) между двумя соседними отсчетами, пропорциональными фазовому сдвигу. Если частоты внешнего генератора и сети примерно равны, то при любом фазовом сдвиге между ними эта разность будет близка нулю. Если разность отличается от нуля, то это указывает на наличие разности частот между напряжениями внешнего генератора и сети. Модули текущих разностей (знаковый разряд в выходном сигнале второго алгебраического сумматора 16 не учитывается) усредняются в фильтре-усреднителе 17, в котором формируется абсолютное значение усредненной величины разности по нескольким периодам сигнала сети (фиг.2,в), т.е. величина, пропорциональная модулю разности частот сигнала внешнего генератора и сети. Если отличие частот значительно, то на выходе пятого компаратора 18 формируется уровень логической единицы, который объединяется с уровнем логической единицы на четвертом элементе И 19.

Таким образом, предложенное устройство обладает более широкими функциональными возможностями, поскольку оно вырабатывает и сигнал примерного равенства амплитуды напряжений сети и генератора, что указывает на временной интервал возможной подстройки частоты генератора к частоте сети, и сигнала допустимого (или недопустимого) рассогласования частот генератора и сети в интервале возможной подстройки.

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

2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991, с. 355, рис. 12.16.

Изобретение используется в электротехнике в качестве реле разности частот при подстройке напряжения генератора к напряжению сети. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. Для этого реле разности частот содержит первый выпрямительный блок, вход которого является входом напряжения генератора, второй выпрямительный блок, вход которого является входом напряжения сети, два алгебраических сумматора, два выпрямительных блока, пять компараторов, четыре элемента И, два формирователя импульсов, два выпрямительных блока, элемент ИЛИ, счетчик, регистр сдвига, фильтр-усреднитель, генератор тактовых импульсов и формирователь заднего фронта. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Реле разности частот, содержащее первый выпрямительный блок, вход которого является входом для подключения напряжения генератора, второй выпрямительный блок, вход которого является входом для подключения напряжения сети, первый алгебраический сумматор, вход вычитания и вход сложения которого соединены с выходами соответственно первого и второго выпрямительных блоков, а также первый компаратор, вход которого соединен с выходом алгебраического сумматора, отличающееся тем, что введены второй алгебраический сумматор, второй, третий, четвертый и пятый компараторы, первый и второй формирователи импульсов типа "меандр", элементы И с первого по четвертый, элемент ИЛИ, генератор тактовых импульсов, счетчик, регистр сдвига, фильтр-усреднитель и формирователь импульса по заднему фронту, при этом вход второго компаратора соединен с выходом алгебраического сумматора, первый и второй входы первого элемента И соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов, а выход соединен с первым входом четвертого элемента И и с управляющим входом генератора тактовых импульсов, выход которого соединен с первыми входами второго и третьего элементов И, выходы которых соединены соответственно с первым и со вторым входами элемента ИЛИ, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с информационным входом регистра сдвига, первый и второй выходы которого соединены с входами сложения и вычитания второго алгебраического сумматора, выход которого соединен с информационным входом фильтра-усреднителя, выход которого соединен с входом пятого компаратора, выход "больше" которого соединен со вторым входом четвертого элемента И, входы первого и второго формирователей импульсов соединены с входами соответственно первого и второго выпрямительных блоков, а выходы - с входами соответственно третьего и четвертого компараторов, выходы "больше" которых соответственно соединены со вторым и третьим входами второго элемента И, а выходы "меньше" соответственно соединены со вторыми и третьими входами третьего элемента И, вход формирователя импульса по заднему фронту соединен с входом второго формирователя импульсов, а выход - с входом установки в ноль счетчика и с тактовыми входами регистра сдвига и фильтра-усреднителя. 2. Реле по п. 1, отличающееся тем, что выход формирователя импульса по заднему фронту соединен со входом установки в ноль счетчика через элемент задержки. 3. Реле по п. 1 или 2, отличающееся тем, что каждый из фильтров-усреднителей содержит регистр сдвига, информационный и тактовый входы которого являются соответственно информационным и тактовым входами фильтра-усреднителя, выходы регистра сдвига через умножитель на величину, обратно пропорциональную числу выходов регистра сдвига, соединены со входами сумматора, выход которого является выходом фильтра-усреднителя. 4. Реле по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что первый компаратор имеет отрицательный порог срабатывания, а второй компаратор имеет положительный порог срабатывания.