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 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 является 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 напряжений генератора и сети соответственно, и первый исполнительный элемент, введены первый и второй формирователи импульса по переднему фронту, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов, первый и второй формирователи импульса по заднему фронту, входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго компараторов, первый и второй элементы ИЛИ, первые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго формирователей импульсов по заднему фронту, первый и второй RS-триггеры, S-входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго формирователей импульсов по переднему фронту, а R-входы соединены с выходами соответственно первого и второго элементов ИЛИ, первый и второй элементы И, первые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго RS-триггеров, первый и второй счетчики, счетные входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго элементов И, первый и второй фильтры-усреднители, информационные входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго счетчиков, блок вычитания, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого и второго фильтров-усреднителей, третий и четвертый компараторы, входы которых соединены с выходом блока вычитания, третий и четвертый элементы ИЛИ, первые входы которых соединены с выходами соответственно первого и второго формирователей импульсов по заднему фронту, а выходы соединены с входами установки в ноль соответственно первого и второго счетчиков, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго элементов И, одновибратор, выход которого соединен с входом запуска генератора тактовых импульсов и со вторыми входами первого, второго, третьего и четвертого элементов ИЛИ и с входами установки в исходное состояние первого и второго фильтров-усреднителей, второй исполнительный элемент, вход которого соединен с выходом меньше четвертого компаратора, третий элемент И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом "меньше" третьего компаратора, выход больше которого соединен со входом первого исполнительного элемента, и с выходом "больше" четвертого компаратора, выход третьего элемента И соединен со счетным входом третьего счетчика, выход которого соединен с информационным входом третьего фильтра-усреднителя, выход которого соединен со входом пятого компаратора, выход которого соединен со входом третьего исполнительного элемента, кроме того, пятый элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом одновибратора и с установочным входом третьего фильтра-усреднителя, второй вход - с выходом первого формирователя импульса по заднему фронту и с управляющим входом третьего фильтра-усреднителя, а выход -соединен с входом установки в ноль третьего счетчика, при этом третий и четвертый входы третьего элемента И соединены с выходами соответственно первого и второго элементов И.

Кроме того, входы установки в ноль первого и второго счетчиков соединены с выходами соответствующих третьего и четвертого элементов ИЛИ через соответствующие элементы задержки.

Кроме того, каждый из фильтров-усреднителей содержит регистр сдвига, информационный вход, вход управления и вход установки в начальное состояние которого являются соответственно информационным, управляющим и установочными входами фильтра-усреднителя, а выходы регистра сдвига через соответствующие умножители на величину, обратно пропорциональную числу выходов регистра сдвига, соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого является выходом фильтра-усреднителя.

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 13 компараторы, первый 2 и второй 14 формирователи импульса по переднему фронту, входы которых соединены с выходами "больше" соответственно первого 1 и второго 13 компараторов, первый 3 и второй 15 формирователи импульса по заднему фронту, входы которых соединены с выходами "больше" соответственно первого 1 и второго 13 компараторов, первый 4 и второй 16 элементы ИЛИ, первые входы которых соединены с выходами соответственно первого 3 и второго 15 формирователей импульсов по заднему фронту, первый 5 и второй 17 RS-триггеры, S-входы которых соединены с выходами соответственно первого 2 и второго 14 формирователей импульсов по переднему фронту, а R-входы соединены с выходами соответственно первого 4 и второго 16 элементов ИЛИ, первый 6 и второй 18 элементы И, первые входы которых соединены с выходами соответственно первого 5 и второго 17 RS-триггеров, первый 7 и второй 19 счетчики, счетные входы которых соединены с выходами соответственно первого 6 и второго 18 элементов И, первый 8 и второй 20 фильтры-усреднители, входы которых соединены с выходами соответственно первого 7 и второго 19 счетчиков, блок 9 вычитания, первый и второй входы которого соединены с выходами соответственно первого 8 и второго 20 фильтров-усреднителей, третий 10 и четвертый 21 компараторы, входы которых соединены с выходом блока 9 вычитания, третий 12 и четвертый 23 элементы ИЛИ, первые входы которых соединены с выходами соответственно первого 3 и второго 15 формирователей импульсов по заднему фронту, а выходы соединены с входами установки в ноль соответственно первого 7 и второго 19 счетчиков, генератор 24 тактовых импульсов (ГТИ), выход которого соединен со вторыми входами первого 6 и второго 18 элементов И, одновибратор 25, выход которого соединен с входом запуска генератора 24 тактовых импульсов и со вторыми входами первого 4, второго 16, третьего 12 и четвертого 23 элементов ИЛИ и с входами установки в исходное (нулевое) состояние первого 8 и второго 20 фильтров-усреднителей, а также первый 11 и второй 22 исполнительные элементы, входы которых соединены с выходами "больше" и "меньше" соответственно третьего 10 и четвертого 21 компараторов, последовательно соединенные третий элемент И 26, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходом "меньше" третьего компаратора 10, с другим выходом четвертого компаратора 21, с выходом первого элемента И 6 и с выходом второго элемента И 18, третий счетчик 27, третий фильтр-усреднитель 28, пятый компаратор 29 и третий исполнительный элемент 30, а также пятый элемент ИЛИ 31, первый вход которого соединен с выходом одновибратора 25 и с установочным входом в нулевое состояние третьего фильтра-усреднителя 28, второй вход соединен с выходом первого формирователя 3 импульса по заднему фронту и с управляющим входом третьего фильтра-усреднителя 28, а выход соединен с входом установки в ноль третьего счетчика 27.

Исполнительные элементы 11, 22, 30 могут быть выполнены в виде обмоток реле с замыкающими или размыкающими контактами. Формирователи 2 и 14 вырабатывают короткий импульс при перепаде входного сигнала с нижнего уровня на верхний, а формирователи 3 и 15 - по спаду импульса с верхнего на нижний. Фильтры-усреднители 8, 20 и 28 содержат регистр сдвига, информационный вход, вход управления (тактовый вход) и вход установки в начальное состояние которого являются соответственно информационным, управляющим (тактовым) и установочным входами 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 представлены сигналы на выходе второго компаратора 13 (U13) (фиг.2, а), на выходе первого компаратора (U1) (фиг.2, б), на выходе блока 9 вычитания (U9) (фиг.2, в), на выходе третьего компаратора 10 (U10) (фиг.2, г) и четвертого компаратора 21 (U21) (фиг.2, д).

Частотно-фазовое реле работает следующим образом.

При включении устройства питание подается на все его элементы, в том числе на вход одновибратора 25, который вырабатывается одиночный импульс, поступающий на вход запуска ГТИ 24, через первый 4 и второй 16 элементы ИЛИ на вход установки в нулевое состояние первого 5 и второго 17 триггеров, через третий 12, четвертый 23 и пятый 31 элементы ИЛИ на вход установки в нулевое состояние первого 7, второго 19 и третьего 27 счетчиков, а также на вход начальной, например нулевой, установки регистров, входящих в состав первого 8, второго 20 и третьего 28 фильтров-усреднителей.

На вход первого компаратора 1 поступает сигнал генератора, а на вход второго компаратора 13 - сигнал сети, поэтому на выходе первого компаратора 1 (с нулевым пороговым уровнем) формируется последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 2, б), длительность которых равна половине периода сигнала генератора, а на выходе второго компаратора 13 (с нулевым пороговым уровнем) формируется последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 2, а), длительность которых равна половине периода сигнала сети. Первый 2 и второй 14 формирователи формируют короткие импульсы из передних фронтов импульсов, а первый 3 и второй 15 формирователи - из задних фронтов импульсов. Поэтому передние фронты импульсов устанавливают триггеры 5 и 17 в единичное состояние, а задние фронты - в нулевое состояние.

Импульсы ГТИ 24 подсчитываются первым 7 и вторым 19 счетчиками, которые определяют длительность полупериода сигнала генератора и сети соответственно. В конце каждого импульса содержимое счетчиков переписывается в соответствующие первый 8 и второй 20 фильтры-усрединители, в которых формируется сигнал длительности половины периода сигнала генератора и сети соответственно. После переписи сигналов счетчики 7 и 19 обнуляются, что обеспечивается либо управлением счетчиков и регистров сдвига фильтров-усреднителей по разным фронтам коротких импульсов, либо включением элемента задержки на входе установки в ноль счетчиков. Усредненные значения сигналов с выходов первого 8 и второго 20 фильтров-усреднителей поступают на вход блока 9 вычитания, в котором формируется сигнал (фиг.2, в), пропорциональный разности длительности полупериодов сигналов сети и генератора. В третьем 10 и четвертом 21 компараторах этот сигнал сравнивается с пороговыми уровнями, соответствующим предельно допустимым значениям отклонений частот сигналов (фиг.2, г, д). При выходе за эти пределы срабатывают первый 11 или второй 22 исполнительные элементы. Если же отклонения лежат в допустимых пределах, что говорит о близости частот внешнего генератора и сети, то сигналы с уровнем логической единицы одновременно формируются на выходе "меньше" третьего компаратора 10 и на выходе "больше" четвертого компаратора 21, которые поступают на входы третьего элемента И 26. Одновременно на его другие входы поступают сигналы с выходов первого 6 и второго 18 элементов И. Следовательно, на выходе третьего элемента И 26 будут наблюдаться импульсы при условии примерного равенства частот внешнего генератора и сети и при совпадении импульсов на выходах первого 1 и второго 13 компараторов, т.е. при близости фаз напряжений внешнего генератора и сети. Третий счетчик 27 подсчитывает эти импульсы и формирует сигнал, пропорциональный близости фаз напряжений. Эти сигналы усредняются третьим фильтром-усреднителем 28, работающим как и первый 8, и второй 20 фильтры-усреднители, и усредненный сигнал сравнивается в пятом компараторе 29 с заданным уровнем Ф+. Третий исполнительный элемент 30 срабатывает либо при не достижении этого порога, либо при его превышении в зависимости от заданного алгоритма работы реле. Превышение порога соответствует близости фаз напряжений внешнего генератора и сети.

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, 1998г., 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 используется в электротехнике для контроля отклонений частоты и фазы генератора от частоты и фазы сети. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения контроля частоты и фазы напряжения генератора относительно частоты и фазы напряжения сети. Для этого частотно-фазовое реле содержит пять компараторов, два формирователя импульсов по переднему фронту, два формирователя импульсов по заднему фронту, пять элементов ИЛИ, два RS-триггера, три элемента И, три счетчика, три фильтра-усреднителя, блок вычитания, генератор тактовых импульсов, одновибратор, три исполнительных элемента. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Частотно-фазовое реле, содержащее первый и второй компараторы, входы которых предназначены для подключения напряжений генератора и сети, соответственно, и первый исполнительный элемент, отличающееся тем, что введены первый и второй формирователи импульса по переднему фронту, входы которых соединены с выходами, соответственно, первого и второго компараторов, первый и второй формирователи импульса по заднему фронту, входы которых соединены с выходами, соответственно, первого и второго компараторов, первый и второй элементы ИЛИ, первые входы которых соединены с выходами, соответственно, первого и второго формирователей импульсов по заднему фронту, первый и второй RS-триггеры, S-входы которых соединены с выходами, соответственно, первого и второго формирователей импульсов по переднему фронту, a R-входы соединены с выходами, соответственно, первого и второго элементов ИЛИ, первый и второй элементы И, первые входы которых соединены с выходами, соответственно, первого и второго RS-триггеров, первый и второй счетчики, счетные входы которых соединены с выходами, соответственно, первого и второго элементов И, первый и второй фильтры-усреднители, информационные входы которых соединены с выходами, соответственно, первого и второго счетчиков, блок вычитания, первый и второй входы которого соединены с выходами, соответственно, первого и второго фильтров-усреднителей, третий и четвертый компараторы, входы которых соединены с выходом блока вычитания, третий и четвертый элементы ИЛИ, первые входы которых соединены с выходами, соответственно, первого и второго формирователей импульсов по заднему фронту, которые формируют короткие импульсы, обеспечивающие управление регистров сдвига фильтров-усреднителей по разным фронтам коротких импульсов, а выходы третьего и четвертого элементов ИЛИ соединены с входами установки в ноль, соответственно, первого и второго счетчиков, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со вторыми входами первого и второго элементов И, одновибратор, выход которого соединен с входом запуска генератора тактовых импульсов и со вторыми входами первого, второго, третьего и четвертого элементов ИЛИ и с входами установки в исходное состояние первого и второго фильтров-усреднителей, второй исполнительный элемент, вход которого соединен с выходом "меньше" четвертого компаратора, третий элемент И, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходом "меньше" третьего компаратора, выход "больше" которого соединен со входом первого исполнительного элемента, и с выходом "больше" четвертого компаратора, выход третьего элемента И соединен со счетным входом третьего счетчика, выход которого соединен с информационным входом третьего фильтра-усреднителя, выход которого соединен со входом пятого компаратора, выход которого соединен со входом третьего исполнительного элемента, кроме того, пятый элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом одновибратора и с установочным входом третьего фильтра-усреднителя, второй вход - с выходом первого формирователя импульса по заднему фронту и с управляющим входом третьего фильтра-усреднителя, а выход соединен с входом установки в ноль третьего счетчика, при этом третий и четвертый входы третьего элемента И соединены с выходами, соответственно, первого и второго элементов И. 2. Реле по п. 1, отличающееся тем, что входы установки в ноль первого и второго счетчиков соединены с выходами соответствующих третьего и четвертого элементов ИЛИ через соответствующие элементы задержки. 3. Реле по п. 1 или 2, отличающееся тем, что каждый из фильтров-усреднителей содержит регистр сдвига, информационный вход, вход управления и вход установки в начальное состояние которого являются, соответственно, информационным, управляющим и установочными входами фильтра-усреднителя, а выходы регистра сдвига через соответствующие умножители на величину обратно пропорциональную числу выходов регистра сдвига соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого является выходом фильтра-усреднителя.