ЧАСТОТНО-ФАЗОВОЕ РЕЛЕ Российский патент 2003 года по МПК H01H47/20 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве частотно-фазового разностного реле, контролирующего частоту и фазу напряжения генератора относительно частоты и фазы напряжения сети.

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

Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве частотно-фазового реле.

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 второго 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 функциональные возможности, поскольку оно одновременно может работать либо как реле понижения частоты, либо как реле повышения частоты и, кроме того, не позволяет контролировать соответствие частоты и фазы внешнего генератора относительно частоты и фазы сети.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения контроля частоты и фазы напряжения генератора относительно частоты и фазы напряжения сети.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее первый и второй компараторы, входы которых предназначены для подключения напряжения сети и генератора соответственно, и первый исполнительный элемент, введены второй исполнительный элемент, элементы И с первого по пятый, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, реверсивный счетчик импульсов, вход сложения и вычитающий входы которого соединены с выходом первого и второго элементов И соответственно, первый и второй элементы задержки, выходы которых соединены с входами установки в ноль счетчика импульсов и реверсивного счетчика импульсов соответственно, первый и второй регистры, информационные входы которых соединены с выходами счетчика импульсов и реверсивного счетчика импульсов соответственно, третий и четвертый компараторы, входы которых соединены с выходом второго регистра, а выход "меньше" третьего компаратора и выход "больше" четвертого компаратора соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого элемента И, выход которого соединен с входом первого исполнительного элемента и с первым входом пятого элемента И, пятый компаратор, вход которого соединен с выходом первого регистра, а выход "меньше" соединен со вторым входом пятого элемента И, выход которого соединен с входом второго исполнительного элемента, RS-триггер, выход которого соединен со вторым входом третьего элемента И, первый формирователь короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом "больше" первого компаратора, с третьим входом третьего элемента И и со вторым входом первого элемента И, а выход соединен с входом RS-триггера, с входом второго элемента задержки и с управляющим входом второго регистра, а также второй формирователь короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом "больше" второго компаратора и со вторым входом второго элемента И, а выход соединен с R-входом RS-триггера, со входом первого элемента задержки и с управляющим входом первого регистра.

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

Частотно-фазовое реле (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 компараторы, первый 3 и второй 4 исполнительные элементы, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8 и пятый 9 элементы И, генератор 10 тактовых импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого 5, второго 6 и третьего 7 элементов И, счетчик 11 импульсов, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И 7, реверсивный счетчик 12 импульсов, вход сложения и вычитающий вход которого соединены с выходом первого 5 и второго 6 элементов И соответственно, первый 13 и второй 14 элементы задержки, выходы которых соединены с входами установки в ноль счетчика 11 импульсов и реверсивного счетчика 12 импульсов соответственно, первый 15 и второй 16 регистры, информационные входы которых соединены с выходами счетчика 11 импульсов и реверсивного 12 счетчика импульсов соответственно, третий 17 и четвертый 18 компараторы, входы которых соединены с выходом второго регистра 16, а выход "меньше" третьего компаратора 17 и выход "больше" четвертого компаратора 18 соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого элемента И 8, выход которого соединен с входом первого исполнительного элемента 3 и с первым входом пятого элемента И 9, пятый компаратор 19, вход которого соединен с выходом первого регистра 15, а выход "меньше" соединен со вторым входом пятого элемента И 9, выход которого соединен с входом второго исполнительного элемента 4, RS-триггер 20, выход которого соединен со вторым входом третьего элемента И 7, первый формирователь 21 короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом "больше" первого компаратора 1, с третьим входом третьего элемента И 7 и со вторым входом первого элемента И 5, а выход соединен с S-входом RS-триггера 20, с входом второго элемента задержки 14 и с управляющим входом второго регистра 16, а также второй формирователь 22 короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом "больше" второго компаратора 2 и со вторым входом второго элемента И 6, а выход соединен c R-входом RS-триггера 20, со входом первого элемента задержки 13 и с управляющим входом первого регистра 15.

Исполнительные элементы 3 и 4 могут быть выполнены в виде обмоток реле с замыкающими или размыкающими контактами. Формирователи 21 и 22 вырабатывают короткий импульс при перепаде входного сигнала с нижнего уровня на верхний. Остальные блоки устройства являются стандартными блоками яблоками электротехники. Цепи питания блоков на чертеже опущены, как несущественные.

На фиг.2 представлены сигналы U_c на выходе первого компаратора 1 (фиг.2, а) и на выходе второго компаратора 2 U_п (фиг.2,б, в, г).

Частотно-фазовое реле работает следующим образом.

На вход первого компаратора 1 поступает сигнал сети, а на вход второго компаратора 2 - сигнал генератора, поэтому на выходе первого компаратора 1 (с нулевым пороговым уровнем) формируется последовательность прямоугольных импульсов (фиг.2,а), длительность которых равна половине периода сигнала сети, а на выходе второго компаратора 2 (с нулевым пороговым уровнем) формируется последовательность прямоугольных импульсов (фиг.2,а), длительность которых равнa половине периода сигнала генератора. Первый 21 и второй 22 формирователи формируют короткие импульсы из передних фронтов импульсов. Эти импульсы соответственно переводят RS-триггер 20 в единичное и нулевое состояния, обнуляют через второй элемент задержки 14 реверсивный счетчик 12, через первый элемент задержки 13 обнуляют счетчик 11, а также управляют перед обнулением счетчиков записью их содержимого в первый 15 и второй 16 регистры. В результате за период частоты напряжения сети в реверсивном счетчике 12 подсчитывается разность числа импульсов между полупериодами напряжения сети и генератора, которая переписывается по переднему фронту очередного импульса с выхода первого компаратора 1 во второй регистр 16, после чего содержимое реверсивного счетчика 12 обнуляется. Содержимое второго регистра 16 сравнивается с малыми по абсолютной величине порогами срабатывания третьего 17 и четвертого 18 компараторов. При малом отличии содержимого второго регистра от нуля, что говорит о примерном равенстве частот генератора и сети, на обоих входах четвертого элемента И 8 формируется уровень логической единицы, что приводит к срабатыванию первого исполнительного элемента 3, а также к подаче разрешающего уровня логической единицы на второй вход пятого элемента И 9.

Одновременно с этим первый 21 и второй 22 формирователи управляют RS-триггером 20 таким образом, что он находится в положении логической единицы в интервале между передними фронтами импульсов, соответствующих положительным полупериодам напряжений сети и генератора. В этом интервале производится подсчет импульсов генератора 10, которые проходят через третий элемент И 7 на счетный вход счетчика 11. По переднему фронту импульса на выходе второго компаратора 2 производится перезапись содержимого счетчика 11 в регистр 15 с последующим обнулением счетчика 11. При малой величине содержимого первого регистра 15, что соответствует близости фаз напряжений сети и генератора, на выходе пятого компаратора 19 формируется уровень логической единицы, что позволяет (при наличии уровня логической единицы нa выходе четвертого элемента И 8) сработать второму исполнительному элементу 4.

Таким образом, благодаря введению новых блоков и связей расширяются функциональные возможности реле, поскольку оно позволяет контролировать соответствие частоты и фазы внешнего генератора относительно частоты и фазы сети.

Источники информации
1. Электротехнический справочник, в 4-х томах, т.2. Электротехнические изделия и устройства. Под общей редакцией В.Г. Герасимова и др. М.: Издательство МЭИ, 1998, 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).

Использование: в электротехнике для контроля отклонений частоты и фазы генератора от частоты и фазы сети. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения контроля соответствия частоты и фазы внешнего генератора относительно частоты и фазы сети. Частотно-фазовое реле содержит два исполнительных элемента, пять компараторов, пять элементов И, счетчик импульсов, реверсивный счетчик импульсов, генератор тактовых импульсов, два формирователя коротких импульсов, два регистра, два элемента задержки и триггер. 2 ил.

Частотно-фазовое реле, содержащее первый и второй компараторы, входы которых предназначены для подключения напряжения сети и генератора соответственно, и первый исполнительный элемент, отличающееся тем, что введены второй исполнительный элемент, элементы И с первого по пятый, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первыми входами первого, второго и третьего элементов И, счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом третьего элемента И, реверсивный счетчик импульсов, вход сложения и вычитающий входы которого соединены с выходом первого и второго элементов И соответственно, первый и второй элементы задержки, выходы которых соединены с входами установки в ноль счетчика импульсов и реверсивного счетчика импульсов соответственно, первый и второй регистры, информационные входы которых соединены с выходами счетчика импульсов и реверсивного счетчика импульсов соответственно, третий и четвертый компараторы, входы которых соединены с выходом второго регистра, а выход "Меньше" третьего компаратора и выход "Больше" четвертого компаратора соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого элемента И, выход которого соединен с входом первого исполнительного элемента и с первым входом пятого элемента И, пятый компаратор, вход которого соединен с выходом первого регистра, а выход "Меньше" соединен со вторым входом пятого элемента И, выход которого соединен с входом второго исполнительного элемента, RS-триггер, выход которого соединен со вторым входом третьего элемента И, первый формирователь короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом "Больше" первого компаратора, с третьим входом третьего элемента И и со вторым входом первого элемента И, а выход - соединен с S-входом RS-триггера, с входом второго элемента задержки и с управляющим входом второго регистра, а также второй формирователь короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом "Больше" второго компаратора и со вторым входом второго элемента И, а выход соединен с R-входом RS-триггера, со входом первого элемента задержки и с управляющим входом первого регистра.