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, алгебраический сумматор, первый и второй входы которого соединены соответственно с анодом первого и с катодом второго диодов, первый и второй операционные усилители, являющиеся соответственно инвертором и компаратором, входы которых соединены с выходом алгебраического сумматора, третий и четвертый диоды, аноды которых соединены с выходами первого и второго операционных усилителей соответственно умножитель, входы которых соединены с катодами третьего и четвертого диодов, первый и второй инверторы, входы которых соединены соответственно с катодами третьего и четвертого диодов, и первый и второй исполнительные элементы, входы которых соединены соответственно с выходом первого и второго операционных усилителей [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 сигналов недопустимого рассогласования частот входного и синхронизируемого сигналов при заданной относительной допустимой величине их рассогласования. Кроме того, известное техническое решение обладает относительно низкой точностью в условиях кратковременных сбоев частоты генератора или высокочастотных помех.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее алгебраический сумматор, умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый компаратор и первый и второй исполнительные элементы, введены измеритель частоты входного сигнала, выход которого соединен с входом умножителя на постоянный коэффициент и с первым входом алгебраического сумматора, измеритель частоты синхронизируемого сигнала, выход которого соединен со вторым вычитающим входом алгебраического сумматора, а также второй компаратор, первый вход которого соединен с первым входом первого компаратора и с выходом алгебраического сумматора, второй вход второго компаратора соединен с выходом инвертора, вход которого соединен со вторым входом первого компаратора и с выходом умножителя на постоянный коэффициент, выход "меньше" второго компаратора соединен с входом второго формирователя импульса и с прямым входом второго элемента И, инверсный вход которого соединен с выходом второго формирователя импульса, а выход второго элемента И соединен с входом второго исполнительного элемента, выход "больше" первого компаратора соединен с входом первого формирователя импульса и с прямым входом первого элемента И, инверсный вход которого соединен с выходом первого формирователя импульса, а выход первого элемента И соединен со входом первого исполнительного элемента, при этом измерители частоты входного и синхронизируемых сигналов преобразуют входной и синхронизируемый сигналы в соответствии с математическими выражениями:
U₀=A₀/f₀; U₁₌A₁/f₁,
где U₀ - сигнал на выходе измерителя частоты входного сигнала,
U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты синхронизируемого сигнала,
f₀ - частот входного сигнала,
f₁ - частота синхронизируемого сигнала,
А₀, А₁ - масштабные коэффициенты.

Кроме того, первый и второй формирователи импульсов предназначены для формирования импульсов с уровнем логической единицы и с длительностью, соответствующей допустимому временному интервалу, в пределах которого допускается рассогласование частот (f₀-f₁) выше допустимой величины при перепаде уровней сигналов на их входах.

На фиг.1 представлена электрическая структурная схема реле разности частот, а на фиг.2 - то же, измерителя частоты.

Реле разности частот содержит последовательно соединенные измеритель 1 частоты входного сигнала и умножитель 2, выход которого соединен со вторым входом первого компаратора 3, первый исполнительный элемент 4, измеритель 5 синхронизируемого сигнала, выход которого соединен со входом вычитания алгебраического сумматора 6, первый суммирующий вход которого соединен с выходом измерителя 1 частоты входного сигнала, а также последовательно соединенные инвертор 7, вход которого соединен с выходом умножителя 2 и с вторым входом первого компаратора 3, и второй компаратор 8, первый вход которого соединен с выходом алгебраического сумматора 6 и с первым входом первого компаратора 3, второй исполнительный элемент 9, первый 10 и второй 11 формирователи импульсов и первый 12 и второй 13 элементы И, при этом вход первого формирователя импульсов 10 соединен с выходом "больше" первого компаратора 3 и с прямым входом первого элемента И 12, инверсный вход которого соединен с выходом первого формирователя импульсов 10, а выход соединен с входом первого исполнительного элемента 4, а вход второго формирователя импульсов 11 соединен с выходом "меньше" второго компаратора 8 и с прямым входом второго элемента И 13, инверсный вход которого соединен с выходом второго формирователя импульсов 11, а выход соединен с входом второго исполнительного элемента 9.

Измерители 1 и 5 частоты могут быть выполнены в виде усилителя 14, в выходной цепи которого включен резонансный контур 15, настроенный таким образом, чтобы номинальные значения входных частот приходили на середину линейной части ветви (спада) его частотной характеристики. В этом случае выходное напряжение измерителя будет обратно пропорционально частоте его входного сигнала.

Первый 4 и второй 5 исполнительные элементы могут быть выполнены в виде обмотки реле с соответствующими контактами, которая непосредственно или через усилитель соединена с выходом соответствующего элемента И 12, 13. Первый 10 и второй 11 формирователи формируют импульсы заданной длительности с уровнем логической единицы по переднему фронту импульса с выхода соответствующего компаратора 3 или 8. Остальные блоки являются стандартными блоками электротехники. Цепи питания элементов на чертеже не показаны как несущественные в рамках данной заявки.

Работает реле разности частот следующим образом.

При включении реле на выходе измерителя 1 формируется сигнал U₀=A₀/f₀, величина которого обратно пропорциональна частоте входного сигнала 1/f₀, а на выходе измерителя 5 - сигнал U₁=А₁/f₁, обратно пропорциональный частоте синхронизируемого сигнала f₁. В этом случае на выходе алгебраического сумматора 6 формируется относительная величина разности частот 1/f₀-1/f₁= (f₁-f₀)/f₀•f₁= (f₁-f₀)/f₀ ². Кроме того, сигнал с выхода измерителя 1 умножается в множителе 2 на малый коэффициент К, определяющий допустимое отклонение частоты синхронизируемого сигнала от входного. Примем А₀=А₁=1. Тогда в первом компараторе 3 сравниваются величины (f₁-f₀)/f₀ ² и К/f₀, а во втором компараторе 8 сравниваются величины (f₁-f₀)/f₀ ² и - К/f₀, поскольку на его вход поступает инвертированное инвертором 7 значение сигнала с выхода умножителя 2.

При этом при перепаде сигнала на выходах первого 3 и второго 8 компараторов соответствующие им первый 10 и второй 11 формирователи по переднему фронту импульса формируют импульсы с уровнем логической единицы и с длительностью, соответствующей допустимому временному интервалу, в пределах которого разрешается иметь рассогласование частот свыше допустимых пределов. Эти импульсы подаются на инверсные входы первого 12 и второго 13 элементов И, поэтому при срабатывании первого 3 или второго 8 компараторов уровни логической единицы поступят на входы соответствующих первого 4 или второго 9 исполнительных элементов через малую допустимую задержку, что исключает влияние кратковременных сбоев частоты генератора и высокочастотных помех на работу реле.

Первый исполнительный элемент 4 сработает, когда частота синхронизируемого сигнала f₀ будет меньше частоты входного f₁ на относительную величину, задаваемую коэффициентом К, а второй исполнительный элемент 9, когда частота входного сигнала будет больше ее.

Таким образом, предложенное устройство обладает более широкими функциональными возможностями, поскольку оно реагирует на недопустимое относительное рассогласование частот входного и синхронизируемого сигналов, а не только на абсолютные величины рассогласований, что необходимо для ряда технологических процессов. Кроме того, повышается точность работы реле, поскольку исключается влияние кратковременных сбоев частоты генератора и высокочастотных помех на работу реле.

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 г., с.390, рис.35.10.

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

Использование: в электротехнике в качестве реле разности частот при подстройке синхронизируемого сигнала к входному. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, поскольку реле реагирует на относительное рассогласование частот входного и синхронизируемого сигналов, и повышении точности, поскольку исключается влияние кратковременных сбоев частоты генератора и высокочастотных помех на его работу. Реле разности частот содержит измеритель частоты входного сигнала, умножитель, два компаратора, два исполнительных элемента, измеритель синхронизируемого сигнала, алгебраический сумматор, инвертор, два элемента И и два формирователя импульсов по фронту. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Реле разности частот, содержащее алгебраический сумматор, умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый компаратор и первый и второй исполнительные элементы, отличающееся тем, что введены измеритель частоты входного сигнала, выход которого соединен с входом умножителя на постоянный коэффициент и с первым суммирующим входом алгебраического сумматора, измеритель частоты синхронизируемого сигнала, выход которого соединен со вторым вычитающим входом алгебраического сумматора, а также второй компаратор, первый вход которого соединен с первым входом первого компаратора и с выходом алгебраического сумматора, второй вход второго компаратора соединен с выходом инвертора, вход которого соединен со вторым входом первого компаратора и с выходом умножителя на постоянный коэффициент, выход "Меньше" второго компаратора соединен с входом второго формирователя импульса и с прямым входом второго элемента И, инверсный вход которого соединен с выходом второго формирователя импульса, а выход второго элемента И соединен с входом второго исполнительного элемента, выход "Больше" первого компаратора соединен с входом первого формирователя импульса и с прямым входом первого элемента И, инверсный вход которого соединен с выходом первого формирователя импульса, а выход первого элемента И соединен со входом первого исполнительного элемента, при этом измерители частоты входного и синхронизируемых сигналов преобразуют входной и синхронизируемый сигналы в соответствии с математическими выражениями
U₀= A₀/f₀; U₁= A₁/f₁,
где U₀ - сигнал на выходе измерителя частоты входного сигнала;
U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты синхронизируемого сигнала;
f₀ - частота входного сигнала;
f₁ - частота синхронизируемого сигнала;
A₀, А₂ - масштабные коэффициенты. 2. Реле разности частот по п. 1, отличающееся тем, что первый и второй формирователи импульсов предназначены для формирования по переднему фронту импульса с выхода соответствующего компаратора импульсов с уровнем логической единицы и с длительностью, соответствующей допустимому временному интервалу, в пределах которого допускается рассогласование частот (f₀ - f₁) выше допустимой величины при перепаде уровней сигналов на их входах.