РЕЛЕ ЧАСТОТЫ Российский патент 2004 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 формирователь импульсов, 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 формирователя импульсов, последовательно соединенные делитель напряжения, вход которого соединен с выходом частотного фильтра, второй формирователь импульсов и формирователь коротких импульсов, выход которого соединен со вторым входом элемента ЗАПРЕТ, 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 низкая точность, обусловленная возможностью ложного срабатывания.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности устройства.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные разделительный трансформатор, частотный фильтр, частотно-зависимый элемент и первый формирователь импульсов, последовательно соединенные второй формирователь импульсов и первый формирователь коротких импульсов, а также исполнительный элемент, введены второй формирователь коротких импульсов, вход которого соединен с выходом первого формирователя импульсов, а выход - с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого формирователя коротких импульсов, последовательно соединенные расширитель импульсов и элемент НЕ, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом исполнительного элемента, последовательно соединенные блок вычитания, первый вход которого соединен с входами частотно-зависимого элемента и второго формирователя импульсов, а второй вход соединен с выходом частотно-зависимого элемента, и компаратор, выход “больше” которого соединен со вторым входом второго элемента И, при этом частотно-зависимый элемент предназначен для формирования сигнала, амплитуда которого уменьшается пропорционально величине модуля отклонения частоты входного напряжения от номинального, а фаза изменяется пропорционально величине и знаку отклонения частоты входного напряжения от номинальной.

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

Частотное реле (фиг.1) содержит последовательно соединенные разделительный трансформатор 1, частотный фильтр 2, частотно-зависимый элемент 3 и первый формирователь импульсов 4, последовательно соединенные второй формирователь импульсов 5 и первый формирователь коротких импульсов 6, а также исполнительный элемент 7. Реле также содержит второй формирователь 8 коротких импульсов, вход которого соединен с выходом первого формирователя 4 импульсов, а выход - с первым входом первого элемента И 9, второй вход которого соединен с выходом первого формирователя 6 коротких импульсов. Выход первого элемента И 9 через последовательно соединенные расширитель 10 импульсов и элемент НЕ 11 соединен с первым входом второго элемента И 12, выход которого соединен с входом исполнительного элемента 7. Устройство также содержит последовательно соединенные блок 13 вычитания, первый вход которого соединен с входами частотно-зависимого элемента 3 и второго формирователя 5 импульсов, а второй вход соединен с выходом частотно-зависимого элемента 3, и компаратор 14, выход “больше” которого соединен со вторым входом второго элемента И 12.

Исполнительный элемент 7 может быть выполнен в виде реле, обмотка которого непосредственно или через усилитель соединена с выходом второго элемента И 12. Первый 4 и второй 5 формирователи могут быть выполнены в виде компараторов с нулевым порогом. Первый 6 и второй 8 формирователи коротких импульсов вырабатывают на своем выходе короткий импульс по перепаду входного напряжения с уровня логического нуля на уровень логической единицы. Длительность этого импульса пропорциональна допустимой величине сдвига частоты входного напряжения от своего номинального значения. Расширитель 10 импульсов формирует на своем выходе импульсы длительностью, равной периоду частоты входного напряжения. Разделительный трансформатор 1, частотный фильтр 2 могут иметь ту же конструкцию, что и в прототипе, а пример конструктивного выполнения частотно-зависимого элемента 3 приведен в [2, стр. 52, рис.1.14]. Остальные блоки являются стандартными элементами электронной техники.

На фиг.2 представлены сигналы U5 на выходе второго формирователя 5 (фиг.2,а), и U4 на выходе первого формирователя 4 (фиг.2,б) при совпадении частоты входного напряжения с номинальной частотой, на выходе первого формирователя 4 (фиг.2,в) при отклонении частоты входного напряжения от номинальной частоты в сторону увеличения, на выходе первого формирователя 4 (фиг.2,г) при отклонении частоты входного напряжения от номинальной частоты в сторону уменьшения. Заштрихованные части импульсов соответствуют длительности и временному положению импульсов, вырабатываемых формирователями 6 и 8 коротких импульсов, установленных на выходах соответствующих формирователей 5 и 4.

Частотное реле работает следующим образом.

На вход разделительного трансформатора 1 поступает входное напряжение, частота которого в нормальных условиях соответствует требуемой номинальной частоте. Частотный фильтр 2 устраняет влияние высших гармоник, поэтому на выходе второго формирователя 5 (например, компаратора с нулевым пороговым уровнем) формируется последовательность прямоугольных импульсов (фиг.2,а), длительность которых равна половине периода входного напряжения.

Одновременно с этим выходной сигнал частотного фильтра 2 поступает на вход частотно-зависимого элемента 3. Примером выполнения такого частотно-зависимого элемента является контур, резонансная частота которого соответствует номинальной частоте. В зависимости от отклонения частоты первой гармоники входного сигнала от номинальной, частотно-зависимый элемент 3 производит сдвиг фазы напряжения в сторону отставания или опережения. Поэтому на выходе первого формирователя 4 (например, компаратора с нулевым пороговым уровнем) формируется последовательность импульсов (фиг.2, б-г), которая в случае отклонения частоты от номинальной может отличаться от последовательности импульсов на выходе второго формирователя 5 положением на временной оси.

По фронту каждого из импульсов на выходах второго 5 и первого 4 формирователей в соответствующем первом 6 и втором 8 формирователях вырабатываются импульсы, длительность которых пропорциональна допустимому значению отклонения частоты входного напряжения от номинальной (заштрихованные части сигналов на фиг.2).

При совпадении временных положений импульсов, например на фиг.2,а и фиг.2,б, что соответствует совпадению или незначительному рассогласованию фаз импульсов, на выходе первого элемента И 9 формируется импульс, который расширяется расширителем 10 и преобразуется в уровень логического нуля элементом НЕ 11. Поэтому исполнительный элемент 7 не срабатывает.

При сдвиге частоты входного напряжения от номинального более допустимого предела в большую или меньшую сторону, импульсы с выхода второго формирователя 8 перестают совпадать во времени с импульсами, формируемыми на выходе первого формирователя 6, поэтому на выходе первого элемента И 9 не формируется соответствующего импульса совпадения и на выходе расширителя 10 не будет наблюдаться уровень логического нуля, который инвертируется первым элементом НЕ 11. В этом случае на выходе первого элемента И 9 будет формироваться уровень логического нуля, который не изменяется расширителем 10 и преобразуется в уровень логической единицы элементом НЕ 11.

Отклонение частоты входного напряжения от номинальной приведет не только к сдвигу фазы напряжения на выходе частотно-зависимого элемента 3, относительно фазы его входного напряжения, но и к уменьшению амплитуды выходного напряжения относительно входного, поскольку частотно-зависимый элемент настроен на номинальную частоту напряжения. Этот факт зафиксируется компаратором 14, на выходе “больше” которого будет сформирован сигнал логической единицы при уменьшении амплитуды выходного напряжения частотно-зависимого элемента 3 ниже допустимого предела, задаваемого пороговым уровнем срабатывания компаратора 14. Этот сигнал логической единицы поступит на второй вход второго элемента И 12, что приведет к срабатыванию исполнительного элемента 7, что означает выход частоты входного напряжения за допустимые пределы отклонений.

Таким образом, благодаря введению новых блоков и связей повышается точность устройства, поскольку срабатывание реле происходит при одновременной фиксации как факта сдвига фазы сигнала в частотно-зависимом элементе, так и уменьшения амплитуды напряжения на выходе этого элемента по отношению к его входному напряжению.

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 в качестве реле частоты. Технический результат заключается в повышении точности устройства. Для этого частотное реле содержит разделительный трансформатор, частотный фильтр, два формирователя импульсов, два формирователя коротких импульсов по перепаду входного напряжения, два элемента И частотно–зависимый элемент, элемент НЕ, исполнительный элемент, расширитель импульсов, блок вычитания, компаратор, при этом частотно-зависимый элемент предназначен для формирования сигнала, амплитуда которого уменьшается пропорционально величине модуля отклонения частоты входного напряжения от номинального, а фаза изменяется пропорционально величине и знаку отклонения частоты входного напряжения от номинальной. 2 ил.

Реле частоты, содержащее последовательно соединенные разделительный трансформатор, частотный фильтр, частотно-зависимый элемент и первый формирователь импульсов, последовательно соединенные второй формирователь импульсов и первый формирователь коротких импульсов по перепаду входного напряжения, а также исполнительный элемент, отличающееся тем, что введены второй формирователь коротких импульсов по перепаду входного напряжения, вход которого соединен с выходом первого формирователя импульсов, а выход – с первым входом первого элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого формирователя коротких импульсов по перепаду входного напряжения, а выход через последовательно соединенные расширитель импульсов и элемент НЕ соединен с первым входом второго элемента И, выход которого соединен с входом исполнительного элемента, последовательно соединенные блок вычитания, первый вход которого соединен с входами частотно-зависимого элемента и второго формирователя импульсов, а второй вход соединен с выходом частотно-зависимого элемента, и компаратор, выход “Больше” которого соединен со вторым входом второго элемента И, при этом частотно-зависимый элемент предназначен для формирования сигнала, амплитуда которого уменьшается пропорционально величине модуля отклонения частоты входного напряжения от номинального, а фаза изменяется пропорционально величине и знаку отклонения частоты входного напряжения от номинальной.