РЕЛЕ ЧАСТОТЫ Российский патент 2003 года по МПК H01H47/28 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве реле частоты.

Известно устройство, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик импульсов, 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 частоты.

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 узкие функциональные возможности, поскольку оно одновременно может работать либо как реле понижения частоты, либо как реле повышения частоты. Кроме того, в известном устройстве отсутствуют средства, осуществляющие сигнализацию направления сдвига частоты от номинального значения.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения одновременного выполнения функций реле повышения и понижения частоты.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные разделительный трансформатор, вход которого является входом для подключения контролируемого напряжения, частотный фильтр, частотно-зависимый фазосдвигающий элемент и первый компаратор, второй компаратор, а также исполнительный элемент, введены первый формирователь импульсов по переднему фронту, вход которого соединен с выходом первого компаратора, а выход - с первым входом первого элемента И, последовательно соединенные первый счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый нерекурсивный фильтр и третий компаратор, выход которого соединен с входом исполнительного элемента, последовательно соединенные второй элемент И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом второго компаратора и с выходом первого формирователя импульсов, второй счетчик импульсов, второй нерекурсивный фильтр и четвертый компаратор, элемент задержки, выход которого соединен с входом установки в ноль первого и второго счетчиков импульсов, второй формирователь импульсов по переднему фронту, вход которого соединен с выходом второго компаратора, а выход - со вторым входом первого элемента И, с входом элемента задержки и с тактовыми входами первого и второго нерекурсивных фильтров, последовательно соединенные одновибратор, выход которого соединен с установочными входами первого и второго счетчиков импульсов и первого и второго нерекурсивных фильтров, и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с третьими входами первого и второго элементов И, при этом вход второго компаратора соединен с выходом частотного фильтра.

На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема частотного реле, на фиг. 2 - нерекурсивного фильтра, на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие их работу.

Частотное реле (фиг.1) содержит последовательно соединенные разделительный трансформатор 1, частотный фильтр 2, частотно-зависимый фазосдвигающий элемент 3, первый компаратор 4, первый формирователь 5 импульсов, первый элемент И 6, первый счетчик 7 импульсов, первый нерекурсивный фильтр 8, третий компаратор 9 и исполнительный элемент 10, элемент задержки 11, выход которого соединен с входом установки в ноль первого счетчика 7 импульсов, последовательно соединенные второй компаратор 12, вход которого соединен с выходом частотного фильтра 2, и второй формирователь 13 импульсов, выход которого соединен со вторым входом первого элемента И 6, со входом элемента задержки 11 и с тактовым входом первого нерекурсивного фильтра 8, последовательно соединенные одновибратор 14, выход которого соединен с установочными входами первого счетчика 7 импульсов и первого нерекурсивного фильтра 8, и генератор 15 тактовых импульсов (ГТИ), выход которого соединен с третьим входом первого элемента И 6, последовательно соединенные второй элемент И 16, первый, второй и третий входы которого соединены с выходами, соответственно, второго компаратора 12, первого 5 формирователя импульсов и генератора 15 тактовых импульсов, второй счетчик 17 импульсов, установочный вход и вход установки в ноль которого соединены с выходами, соответственно, одновибратора 14 и элемента задержки 11, второй нерекурсивный фильтр 18, установочный и тактовый входы которого соединены с выходами, соответственно, одновибратора 14 и второго формирователя импульса 13, и четвертый компаратор 19.

Нерекурсивный фильтр 8 (фиг. 2) содержит последовательно соединенные ячейки 20-1...20-к регистра сдвига, выходы которых через соответствующие ему умножители 21-1...21-к на величину 1/к, где к - число ячеек регистра сдвига, соединены с соответствующими входами сумматора 22, на выходе которого формируется оценка среднего значения величин поступивших отсчетов на скользящем во времени текущем интервале усреднения.

Исполнительный элемент 10 может быть выполнен в виде реле с соответствующими контактами, обмотка которого непосредственно или через усилитель соединена с выходом третьего компаратора 9. Первый 5 и второй 13 формирователи импульсов вырабатывают импульс по перепаду сигнала на выходе соответствующего первого 4 или второго 12 компараторов с уровня логического нуля на уровень логической единицы. Длительности импульсов соответствуют временному интервалу, пропорциональному величине допустимого сдвига частоты относительно номинального значения. Разделительный трансформатор 1, частотный фильтр 2 могут иметь ту же конструкцию, что и в прототипе, а пример конструктивного выполнения частотно-зависимого фазосдвигающего элемента 3 приведен в [2, стр. 52, рис.1.14]. Первый 4 и второй 12 компараторы являются аналоговыми, а третий компаратор 9 - цифровым. Остальные блоки являются стандартными элементами электротехники. Цепи питания, кроме цепи питания одновибратора 14, опущены, как несущественные.

На фиг. 3 представлены сигналы на выходе частотного фильтра 2 (фиг. 3, а), на выходе второго компаратора 12 (фиг. 3, б) и на выходе первого компаратора 4 в случае изменений частоты, при которых фаза сигнала запаздывает (фиг. 3, в) и опережает (фиг. 3, г) после прохождения частотно-зависимого элемента 3 входной сигнал (фиг. 3, а). Заштрихованные части соответствуют длительности и временному положению импульсов, формируемых первым 5 и вторым 13 формирователями импульсов.

Частотное реле работает следующим образом.

Частотное реле включается в момент времени, когда частота входного напряжения соответствует номинальному, путем подачи питания на все его элементы, в том числе, на вход одновибратора 14, который вырабатывает одиночный импульс, поступающий на вход запуска ГТИ 15 и на входы установки в начальное состояние первого 8 и второго 18 нерекурсивных фильтров и первого 7 и второго 17 счетчиков импульсов. Начальное состояние первого 8 и второго 18 нерекурсивных фильтров и первого 7 и второго 17 счетчиков импульсов соответствует длительности импульса, выраженное в числе импульсов ГТИ 15, соответствующее временному интервалу, пропорциональному величине допустимого сдвига частоты входного напряжения относительно своего номинального значения.

На вход разделительного трансформатора 1 поступает входное напряжение, из которого частотный фильтр 2 устраняет высшие гармоники (фиг.3, а). Поэтому на выходе первого второго компаратора 12 с нулевым пороговым уровнем формируется последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 3, б), длительность которых равна половине периода входного напряжения, равного или близкого к номинальной частоте. Одновременно с этим выходной сигнал частотного фильтра 2 поступает на вход частотно-зависимого фазосдвигающего элемента 3. В зависимости от отклонения частоты первой гармоники входного сигнала от номинальной, частотно-зависимый фазосдвигающий элемент 3 производит сдвиг фазы сигнала в положительную или отрицательную сторону, поэтому на выходе первого компаратора 4 с нулевым пороговым уровнем формируется последовательность импульсов (фиг. 3, в, г), которая отличается от последовательности импульсов на выходе второго компаратора 12 положением импульсов на временной оси в сторону запаздывания или опережения по фазе относительно импульсов входного напряжения (фиг.3, б).

Первый 5 и второй 13 формирователи импульсов вырабатывают короткий импульс по перепаду сигнала на выходе соответствующего первого 4 или второго 12 компараторов с уровня логического нуля на уровень логической единицы. Длительности коротких импульсов соответствуют временному интервалу, пропорциональному величине допустимого сдвига частоты относительно номинального значения. При отсутствии сдвига частоты входного напряжения от номинального значения оба импульса будут максимально совпадать по времени и поэтому через первый элемент И 6 на счетный вход первого счетчика 7 будет поступать относительно большое число импульсов в период их длительности. Посчитанное число по переднему фронту импульса второго формирователя 13 переписывается из первого счетчика 7 в первый нерекурсивный фильтр 8, где усредняется для исключения влияния случайных сбоев (помех), после чего (благодаря малой задержке на время переходных процессов в нерекурсивном фильтре в элементе задержки 11) первый счетчик 7 обнуляется по переднему фронту импульса второго формирователя 13 и тем самым становится готовым для очередного подсчета импульсов ГТИ 15, прошедших через первый элемент И 6. Если сдвиг частоты входного напряжения превысит допустимую величину, то время совпадения импульсов на выходах первого 5 и второго 13 формирователей становится незначительным и сигнал на выходе первого нерекурсивного фильтра 8 становится чрезвычайно мал. Это приводит к изменению сигнала на выходе третьего компаратора 9 с уровня логического нуля на уровень логической единицы и к срабатыванию исполнительного элемента 10.

Кроме того, через второй элемент И 16 на вход второго счетчика 17 поступают импульсы ГТИ 15 в интервале времени совпадения импульса с выхода второго компаратора 12 и первого формирователя 5. Нетрудно видеть, что при запаздывании фазы сигнала на выходе первого формирователя 5 (фиг.3, в) относительно фазы сигнала на выходе второго компаратора 12 (фиг.3, б), число этих импульсов практически не меняется, поэтому на выходе "больше" четвертого компаратора 19 наблюдается сигнал логической единицы, по которому можно судить о направлении сдвига частоты контролируемого напряжения относительно номинальной частоты. Если происходит опережение фазы (фиг.3, г), то сигнал логической единицы наблюдается на выходе "меньше" четвертого компаратора 19.

Таким образом, благодаря введению новых блоков и связей расширяются функциональные возможности реле частоты, поскольку оно позволяет одновременно реагировать на недопустимые отклонения частоты входного сигнала как в сторону повышения, так и в сторону понижения. При этом, устройство формирует и сигнал направления сдвига частоты относительно номинального значения.

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. 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 промышленной частоты от номинального значения. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения одновременного выполнения функций реле повышения и понижения частоты. Для этого реле частоты содержит разделительный трансформатор, частотный фильтр, частотно-зависимый элемент, четыре компаратора, два формирователя импульсов, два элемента И, два счетчика импульсов, два нерекурсивных фильтра, исполнительный элемент, элемент задержки, одновибратор и генератор тактовых импульсов. 3 ил.

Реле частоты, содержащее последовательно соединенные разделительный трансформатор, вход которого является входом для подключения контролируемого напряжения, частотный фильтр, частотно-зависимый фазосдвигающий элемент и первый компаратор, второй компаратор, а также исполнительный элемент, отличающееся тем, что введены первый формирователь короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом первого компаратора, а выход - с первым входом первого элемента И, последовательно соединенные первый счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый нерекурсивный фильтр и третий компаратор, выход которого соединен с входом исполнительного элемента, последовательно соединенные второй элемент И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом второго компаратора и с выходом первого формирователя короткого импульса по переднему фронту, второй счетчик импульсов, второй нерекурсивный фильтр и четвертый компаратор, элемент задержки, выход которого соединен с входами установки в нуль первого и второго счетчиков импульсов, второй формирователь короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом второго компаратора, а выход - со вторым входом первого элемента И, с входом элемента задержки и с тактовыми входами первого и второго нерекурсивных фильтров, последовательно соединенные одновибратор, выход которого соединен с установочными входами первого и второго счетчиков импульсов и первого и второго нерекурсивных фильтров, и генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с третьими входами первого и второго элементов И, при этом вход второго компаратора соединен с выходом частотного фильтра.