РЕЛЕ РАЗНОСТИ ФАЗ Российский патент 2003 года по МПК H01H47/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах релейной защиты в качестве реле разности фаз 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 является относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве реле разности фаз.

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 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 которых 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 фазы генератора к фазе сети, но не вырабатывает сигнала допустимого (или недопустимого) рассогласования фаз генератора и сети в интервале возможной подстройки. Кроме того, известное устройство обладает относительно низкой помехоустойчивостью в условиях аномальных искажений и помех.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение помехоустойчивости.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее первый сумматор и первый компаратор, введены второй компаратор, вход которого является входом для подключения напряжения сети, первый элемент И, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого компаратора, вход которого является входом для подключения напряжения внешнего генератора, и второго компаратора, генератор тактовых импульсов, второй элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И, последовательно соединенные первый блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, и первый двухсторонний ограничитель, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, последовательно соединенные первый нерекурсивный фильтр, информационный вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход соединен со вторыми входами первого сумматора и первого блока вычитания, третий компаратор и первый исполнительный элемент, последовательно соединенные второй блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого двухстороннего ограничителя, второй двухсторонний ограничитель, второй сумматор, соединенный первым входом с выходом двустороннего ограничителя, и второй нерекурсивный фильтр, выход которого соединен со вторыми входами второго блока вычитания и второго сумматора, четвертый и пятый компараторы, входы которых соединены с выходом второго нерекурсивного фильтра, последовательно соединенные третий элемент И, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего, четвертого и пятого компараторов, соответственно, и второй исполнительный элемент, последовательно соединенные формирователь короткого импульса по заднему фронту, вход которого соединен с выходом первого элемента И и со вторым входом второго элемента И, а выход соединен с управляющими входами первого и второго нерекурсивных фильтров, элемент задержки, и элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом установки в ноль счетчика импульсов, и также одновибратор, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, входом запуска генератора тактовых импульсов и входами установки в ноль первого и второго нерекурсивных фильтров.

На фиг.1 представлена электрическая структурная схема реле разности фаз, на фиг. 2 - первого и второго нерекурсивных фильтров, на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие их работу.

Реле разности фаз (фиг.1) содержит первый компаратор 1, вход которого является входом напряжения внешнего генератора, второй компаратор 2, вход которого является входом напряжения сети, первый элемент И 3, первый и второй входы которого соединены с выходами первого 1 и второго 2 компараторов, генератор 4 тактовых импульсов, второй элемент И 5, первый вход которого соединен с выходом генератора 4 тактовых импульсов, счетчик 6 импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И 5, последовательно соединенные первый блок 7 вычитания, первый вход которого соединен с выходом счетчика 6 импульсов, первый двухсторонний ограничитель 8, первый сумматор 9, первый нерекурсивный фильтр 10, выход которого соединен со вторыми входами первого сумматора 9 и первого блока 7 вычитания, третий компаратор 11 и первый исполнительный элемент 12, последовательно соединенные второй блок 13 вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого двухстороннего ограничителя 8, второй двухсторонний ограничитель 14, второй сумматор 15 и второй нерекурсивный фильтр 16, выход которого соединен со вторыми входами второго блока 13 вычитания и второго сумматора 15, четвертый 17 и пятый 18 компараторы, входы которых соединены с выходом второго нерекурсивного фильтра 16, последовательно соединенные третий элемент И 19, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего 11, четвертого 17 и пятого 18 компараторов, соответственно, и второй исполнительный элемент 20, последовательно соединенные формирователь 21 короткого импульса по заднему фронту, вход которого соединен с выходом первого элемента И 3 и со вторым входом второго элемента И 5, а выход соединен с управляющими входами первого 10 и второго 16 нерекурсивных фильтров, элемент задержки 22, и элемент ИЛИ 23, выход которого соединен с входом установки в ноль счетчика 6 импульсов, и также одновибратор 24, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ 23, входом запуска генератора 4 тактовых импульсов и входами установки в ноль первого 10 и второго 16 нерекурсивных фильтров.

Первый 10 и второй 16 нерекурсивные фильтры (фиг.2) содержат регистр 25 сдвига (с последовательно соединенными информационными ячейками 25-1...25-к), информационный вход, вход установки в ноль и управляющий вход которого являются, соответственно, информационным входом, входом установки в ноль и управляющим (тактовым) входом нерекурсивного фильтра, выходы информационных ячеек 25-1. ..25-к которого через соответствующие им умножители 26-1...26-к группы умножителей 26 на величину, обратно пропорциональную числу ячеек (выходов) регистра сдвига 25 (1/к), соединены с входами сумматора 27, выход которого является выходом нерекурсивного фильтра.

Формирователь 21 вырабатывает короткий импульс в конце каждого перепада сигнала на выходе первого элемента И 3 с уровня логической единицы на уровень логического нуля. Элемент задержки 22 рассчитан на время срабатывания цепей управления записью первого 10 и второго 16 нерекурсивных фильтров. Первый 12 и второй 20 исполнительные элементы могут быть выполнены в виде обмотки реле с соответствующими контактами, зажимы которой непосредственно или через усилитель соединены с выходами третьего 11 компаратора и третьего элемента И 19, соответственно. Остальные блоки устройства являются стандартными блоками электротехники. Цепи питания блоков и цепи тактирования цифровых элементов на чертеже опущены как несущественные:
На фиг.3, а представлены временные диаграммы сигналов на выходе первого компаратора 1 (Uc) (фиг.3, а) и на выходе второго компаратора 2 при совпадении фаз напряжений сети и генератора (Uг) (фиг.2, б), при отставании фазы напряжения генератора (фиг.2, в) и при опережении (фиг.2, г).

Работает реле разности фаз следующим образом.

Сигналы напряжений внешнего генератора Uг и сети Uс поступают на входы, соответственно, первого 1 и второго 2 компараторов с нулевыми пороговыми уровнями. На выходе первого компаратора 1 сигнал логической единицы с длительностью половине периода формируется при положительной полуволне напряжения внешнего генератора, а на выходе второго компаратора 2 - при положительной полуволне напряжения сети.

При включении реле разности фаз напряжение питания подается на вход одновибратора 24, сигнал с выхода которого обнуляет счетчик 6 и первый 10, и второй 16 нерекурсивные фильтры и запускает генератор 4 тактовых импульсов. В случае, когда положительная полуволна напряжения сети совпадает с положительной полуволной напряжения внешнего генератора, на выходе первого элемента И 3 формируется уровень логической единицы, что позволяет пропускать через второй элемент И 5 импульсы генератора 4 на счетный вход счетчика 6 импульсов. В конце интервала совпадения положительных полуволн напряжений, когда срабатывает формирователь 21 и на его выходе формируется короткий импульс, содержимое счетчика 6, проходя через первый блок 7 вычитания, первый двухсторонний ограничитель 8 и первый сумматор 9, поступает на информационный вход первого нерекурсивного фильтра, поскольку на вторые входы первого блока 7 вычитания и первого сумматора 9 поступают одинаковые сигналы, а первый двухсторонний ограничитель 8 в номинальном режиме (без аномальных искажений и высокочастотных помех) не изменяет проходящий через него сигнал. После этого содержимое счетчика 6 обнуляется. Таким образом, в первом нерекурсивном фильтре 10 формируется усредненное (на фиксированном по длительности скользящем временном интервале) значение интервала, пропорциональное времени совпадения положительной полуволны (полупериода) напряжения внешнего генератора с положительной полуволной (полупериодом) напряжения сети. Когда фазы напряжений сети и внешнего генератора близки (фиг.2, а, б), то сигнал на выходе первого нерекурсивного фильтра 10 близок к длительности их полупериодов. В этом случае на выходе третьего компаратора 11 формируется уровень логической единицы, что приводит к срабатыванию первого исполнительного элемента 12.

Одновременно с этим сигнал с выхода первого двухстороннего ограничителя 8, который в номинальном режиме (без аномальных искажений и высокочастотных помех) равен сигналу с выхода первого блока 7 вычитания и пропорционален приращению (сдвигу) фаз напряжений сети и внешнего генератора за усредненный интервал совпадения их положительных полуволн за предыдущее время, поступает через второй блок 13 вычитания, второй двухсторонний ограничитель 14 и второй сумматор 15 во второй нерекурсивный фильтр 16, в котором формируется усредненное значение приращения фаз (скорости изменения разности фаз) напряжения сети и внешнего генератора на скользящем фиксированном интервале усреднения. Если скорость изменения фаз невелика, становится меньше некоторого положительного значения, при котором срабатывает четвертый компаратор 17, и становится больше некоторого отрицательного значения, при котором срабатывает пятый компаратор 18, то с их выходом на соответствующие входы третьего элемента И 19 поступают уровни логической единицы. Если при этом фазы напряжений сети и внешнего генератора также близки, то с выхода третьего компаратора 11 на третий вход третьего элемента И 19 также поступает уровень логической единицы, что приводит к срабатыванию второго исполнительного элемента 20.

В случае действия аномальных искажений напряжений сети и внешнего генератора, а также в случае действия мощных высокочастотных помех первый 8 и второй 14 двусторонние ограничители устраняют их действие, что повышает помехоустойчивость реле разности фаз.

Таким образом, предложенное устройство обладает более широкими функциональными возможностями, поскольку оно срабатывает не только при совпадении фаз сети и внешнего генератора, но и при малой скорости сдвига фаз, что позволяет проводить более точную настройку генератора при его подключении в сеть. Кроме того, устройство сглаживает действие не только низкочастотных помех за счет использования нерекурсивных фильтров, но и аномальных искажений и мощных высокочастотных помех за счет использования двухсторонних ограничителей.

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 фаз при подстройке напряжения генератора к напряжению сети. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, поскольку реле вырабатывает сигнал рассогласования фаз генератора и сети и сигнал скорости изменения разности фаз, а также в повышении помехоустойчивости в условиях аномальных искажений и помех. Реле разности фаз содержит пять компараторов, счетчик импульсов, два исполнительных элемента, три элемента И, два сумматора, два блока вычитания, формирователь коротких импульсов, одновибратор, элемент задержки, элемент ИЛИ, два нерекурсивных фильтра, два двухсторонних ограничителя, генератор тактовых импульсов. 3 ил.

Реле разности фаз, содержащее первый сумматор и первый компаратор, отличающееся тем, что введены второй компаратор, вход которого является входом для подключения напряжения сети, первый элемент И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого компаратора, вход которого является входом для подключения напряжения внешнего генератора, и второго компаратора, генератор тактовых импульсов, второй элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И, последовательно соединенные первый блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, и первый двухсторонний ограничитель, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, последовательно соединенные первый нерекурсивный фильтр, информационный вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход соединен со вторыми входами первого сумматора и первого блока вычитания, третий компаратор и первый исполнительный элемент, последовательно соединенные второй блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом первого двухстороннего ограничителя, второй двухсторонний ограничитель, второй сумматор, соединенный первым входом с выходом двухстороннего ограничителя, и второй нерекурсивный фильтр, выход которого соединен со вторыми входами второго блока вычитания и второго сумматора, четвертый и пятый компараторы, входы которых соединены с выходом второго нерекурсивного фильтра, последовательно соединенные третий элемент И, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами третьего, четвертого и пятого компараторов соответственно, и второй исполнительный элемент, последовательно соединенные формирователь короткого импульса по заднему фронту, вход которого соединен с выходом первого элемента И и со вторым входом второго элемента И, а выход – соединен с управляющими входами первого и второго нерекурсивных фильтров, элемент задержки и элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом установки в ноль счетчика импульсов, и также одновибратор, выход которого соединен со вторым входом элемента ИЛИ, входом запуска генератора тактовых импульсов и входами установки в ноль первого и второго нерекурсивных фильтров, а на вход одновибратора подается питание.