РЕЛЕ СИНХРОНИЗАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК H01H47/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве реле синхронизации, обеспечивающего автоматизацию процесса включения синхронного 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 частот.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее первый и второй выпрямительные блоки, выполняющие функции измерителя амплитуды напряжения, 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, а также не формирует сигнала опережения, используемого для точного включения генератора в сеть.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение точности.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее измеритель амплитуды напряжения генератора, вход которого является входом напряжения генератора, алгебраический сумматор, первый умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый компаратор и первый и второй исполнительные элементы, введены измеритель частоты напряжения сети, вход которого является входом напряжения сети, а выход соединен с входом первого умножителя на постоянный коэффициент и с входом сложения алгебраического сумматора, измеритель частоты напряжения генератора, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды напряжения генератора, а выход - с входом делимого блока деления, вход делителя которого соединен с выходом измерителя амплитуды напряжения генератора, перемножитель, выход которого соединен с вычитающим входом алгебраического сумматора, а первый вход - с выходом блока деления, измеритель амплитуды напряжения сети, вход которого соединен с входом измерителя частоты напряжения сети, а выход соединен со вторым входом перемножителя, 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 первого умножителя на постоянный коэффициент, а выход “меньше” второго компаратора соединен с входом второго исполнительного элемента, последовательно соединенные первый формирователь прямоугольных импульсов, вход которого соединен с входом напряжения генератора, и формирователь последовательности коротких импульсов, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, последовательно соединенные второй формирователь прямоугольных импульсов, вход которого соединен с входом напряжения сети, и интегрирующий усилитель, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, третий компаратор, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом фазового детектора, а выход соединен с входом третьего компаратора, выполненного в виде компаратора с нулевым порогом, первый элемент И, первый и второй входы которого соединены с выходом “меньше” первого компаратора и с выходом “больше” второго компаратора, соответственно, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом “больше” третьего компаратора, а третий вход - соединен с выходом первого элемента И, первый и второй элементы задержки, входы которых соединены с выходом “равно” третьего компаратора, последовательно соединенные первый счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И, а вход установки в ноль - с выходом первого элемента задержки, регистр памяти, управляющий вход которого соединен с выходом “равно” третьего компаратора, и второй умножитель на постоянный коэффициент, а также второй счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И, вход подачи кода начальной установки соединен с выходом второго умножителя на постоянный коэффициент, управляющий вход второго счетчика соединен с выходом второго элемента задержки, вход установки в ноль - с выходом “равно” третьего компаратора, а выход переполнения второго счетчика импульсов является выходом реле синхронизации, и блок формирования постоянного коэффициента, вход которого соединен с выходом регистра памяти, а выход соединен с входом подачи постоянного коэффициента второго умножителя на постоянный коэффициент, при этом, выход “больше” первого компаратора соединен с входом первого исполнительного элемента, 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 напряжения сети,

U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты напряжения генератора,

f₀ - частота напряжения сети,

f₁ - частота напряжения генератора,

А₀, А₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам напряжения сети и напряжения генератора, соответственно,

а измерители амплитуды напряжения сети и напряжения генератора преобразуют напряжение сети и напряжение генератора в величины, пропорциональные их амплитудам и равные А₀ и A₁ соответственно.

На фиг.1 представлена электрическая структурная схема реле синхронизации, на фиг.2 - измерителя частоты, на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу реле.

Реле синхронизации (фиг.1) содержит измеритель 1 амплитуды напряжения генератора, вход которого является входом напряжения генератора, алгебраический сумматор 2, первый умножитель 3 на постоянный коэффициент, инвертор 4, первый компаратор 5 и первый 6 и второй 7 исполнительные элементы, измеритель 8 частоты напряжения сети, вход которого является входом напряжения сети, а выход соединен с входом первого умножителя 3 на постоянный коэффициент и с входом сложения алгебраического сумматора 2. В состав реле входят последовательно соединенные измеритель 9 частоты напряжения генератора, вход которого соединен с входом измерителя 1 амплитуды напряжения генератора, блок 10 деления, вход делителя которого соединен с выходом измерителя 1 амплитуды напряжения генератора, и перемножитель 11, выход которого соединен с входом вычитания алгебраического сумматора 2, измеритель 12 амплитуды напряжения сети, вход которого соединен с входом измерителя 8 частоты напряжения сети, а выход соединен со вторым входом перемножителя 11, второй компаратор 13, первый вход которого соединен с первым входом первого компаратора 5 и с выходом алгебраического сумматора 2. Второй вход второго компаратора 13 соединен с выходом инвертора 4, вход которого соединен со вторым входом первого компаратора 5 и с выходом первого умножителя 3 на постоянный коэффициент. Выход “меньше” второго компаратора 13 соединен с входом второго исполнительного элемента 7. Устройство также содержит последовательно соединенные первый формирователь 14 прямоугольных импульсов, вход которого соединен с входом напряжения генератора, и формирователь 15 последовательности коротких импульсов, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 16, кроме того, последовательно соединенные второй формирователь 17 прямоугольных импульсов, вход которого соединен с входом напряжения сети, и интегрирующий усилитель 18, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора 16. Устройство также содержит третий компаратор 19, фильтр 20 нижних частот, вход которого соединен с выходом фазового детектора 16, а выход соединен с входом третьего компаратора 19, выполненного в виде компаратора с нулевым порогом, первый элемент И 21, первый и второй входы которого соединены с выходом “меньше” первого компаратора 5 и с выходом “больше” второго компаратора 13, соответственно, генератор 22 тактовых импульсов, выход которого соединен с первым входом второго элемента И 23, второй вход которого соединен с выходом “больше” третьего компаратора 19, а третий вход соединен с выходом первого элемента И 21, первый 24 и второй 25 элементы задержки, входы которых соединены с выходом “равно” третьего компаратора 19, последовательно соединенные первый счетчик 26 импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И 23, а вход установки в ноль - с выходом первого элемента задержки 24, регистр 27 памяти, управляющий вход которого соединен с выходом “равно” третьего компаратора 19, и второй умножитель 28 на постоянный коэффициент, а также второй 29 счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И 23, вход подачи кода начальной установки соединен с выходом второго умножителя 28 на постоянный коэффициент, управляющий вход соединен с выходом второго элемента задержки 25, а вход установки в ноль - с выходом “равно” третьего компаратора 19, а выход переполнения второго счетчика импульсов 29 является выходом реле синхронизации, и блок 30 формирования постоянного коэффициента, вход которого соединен с выходом регистра 27 памяти, а выход соединен с входом подачи постоянного коэффициента второго умножителя 28 на постоянный коэффициент, при этом выход “больше” первого компаратора 5 соединен с входом первого исполнительного элемента, 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 напряжения сети,

U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты напряжения генератора,

f₀ - частота напряжения сети,

f₁ - частота напряжения генератора,

A₀, A₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам напряжения сети и напряжения генератора, соответственно,

а измеритель 12 амплитуды напряжения сети и измеритель 1 напряжения генератора преобразуют напряжение сети и напряжение генератора в величины, пропорциональные их амплитудам и равные А₀ и А₁, соответственно.

Измерители 8 и 9 частоты (фиг.2) могут быть выполнены в виде усилителя 31, в выходной цепи которого включен резонансный контур 32, 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.

На фиг.3 представлены: сигнал Uвх14 на входе первого формирователя 14 прямоугольных импульсов (фиг.2,а), сигнал Uвх17 на входе второго формирователя 17 прямоугольных импульсов (фиг.2,б), сигнал U14 на выходе первого формирователя 14 прямоугольных импульсов (фиг.2,в), сигнал U17 на выходе второго формирователя 17 прямоугольных импульсов (фиг.2,г), сигнал U15 на выходе формирователя 15 последовательности коротких импульсов (фиг.2,д), сигнал U18 на выходе интегрирующего усилителя 18 (фиг.2,е), сигнал U16 на выходе фазового детектора 16 (фиг.2,ж), сигнал U19 на выходе “равно” третьего компаратора 19 (фиг.2,з), сигнал U29 на выходе второго счетчика 29 (фиг.2,и).

Работает реле синхронизации следующим образом.

При включении реле на выходе измерителя 8 формируется сигнал U₀=A₀/f₀, величина которого обратно пропорциональна частоте f₀ напряжения сети, а на выходе измерителя 9 - сигнал U₁=A₁/f₁, обратно пропорциональный частоте f₁ напряжения генератора. Одновременно с этим измеритель 12 вырабатывает сигнал, пропорциональный А₀, а компаратор 13 формирует сигнал, пропорциональный A₁. В этом случае на выходе алгебраического сумматора 2 формируется относительная величина разности частот A₀/f₀-А₁А₀/A₁/f₁=A₀(f₁-f₀)/f₀·f₁=A₀(f₁-f₀)/f20

Кроме того, сигнал с выхода измерителя 8 умножается в первом умножителе 3 на малый коэффициент К, определяющий допустимое отклонение частоты синхронизируемого сигнала от входного. Тогда в первом компараторе 5 сравниваются величины A₀(f₁-f₀)/f20

Первый исполнительный элемент 6 сработает, когда частота напряжения генератора f₁ превысит допустимое отклонение от частоты напряжения сети f₀ в большую сторону на относительную величину, задаваемую коэффициентом К, а второй исполнительный элемент 7 - когда частота напряжения генератора недопустимо отклонится в меньшую сторону.

Сигнал логической единицы на выходе первого элемента И 21, соответствующий разрешению формирования команды подключения генератора в сеть, будет наблюдаться при нахождении частоты генератора в допустимых пределах относительно отклонении от частоты напряжения сети.

Сама команда подключения, которая должна вырабатываться с заданным временем опережения tоп, формируется следующим образом. Сигнал логической единицы с выхода первого элемента И 21 поступает на вход второго элемента И 23, на один из других входов которого поступают счетные импульсы для первого счетчика 26 с выхода генератора 22 тактовых импульсов. На выходе фазового детектора 16 формируется сигнал постоянного напряжения, амплитуда которого пропорциональна углу между векторами напряжений генератора и сети (фиг.2,ж). Этот сигнал после фильтрации в фильтре 20 нижних частот сравнивается в третьем компараторе 19 с нулевым уровнем, поэтому на его выходе “равно” будут формироваться импульсы (фиг.2,з) в конце каждого периода изменений сигнала на выходе фазового детектор 16. Между этими импульсами на выходе “больше” третьего компаратора 19 будет наблюдаться уровень логической единицы, по которому импульсы генератора 22 будут поступать на счетный вход первого счетчика 26, в котором будет формироваться сигнал, пропорциональный периоду Т выходного сигнала на выходе фазового детектора 16. Одновременно те же импульсы поступают на счетный вход второго счетчика 29. По сигналу с выхода “равно” третьего компаратора 19 содержимое первого счетчика 26 (величина Т) будет переписываться в регистр 27 памяти, после чего содержимое первого счетчика 26 будет обнуляться. Содержимое регистра 27 умножается во втором умножителе 28 на число Коп, значение которого определяется в блоке 30, выполненного, например, в виде ПЗУ, на основе заданного заранее времени опережения toп на включение генератора в сеть. Блок 30 программируется для вычисления Коп на основе следующего уравнения: Коп=(1-toп/T). При этом по импульсу с выхода “равно” третьего компаратора 19 обнуляется содержимое второго счетчика 29, после чего результат перемножения вводится в этот счетчик в качестве его первоначальной установки. При подсчитанном числе импульсов во втором счетчике 29, равном длительности интервала времени в пределах периода изменений сигнала на выходе фазового детектора 16, на выходе второго счетчика 29 формируется короткий импульс переполнения, который используется в качестве импульса запуска генератора с опережением на величину toп_.

Таким образом, предложенное устройство обладает более широкими функциональными возможностями и более высокой точностью, поскольку оно вырабатывает сигнал на включение генератора только в интервале, соответствующем допустимой величине рассогласования частот напряжений сети и генератора, при определении которого обеспечивается низкий уровень влияния нестабильности их амплитуд.

Источники информации, принятые во внимание

[1] Электротехнический справочник, в 4-х томах, т.2. Электротехнические изделия и устройства./Под общей ред. В.Г.Герасимова и др. - М.: Издательство МЭИ, 1998, с.390, рис.35.10.

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

Изобретение может быть использовано в электротехнике в качестве реле синхронизации, обеспечивающего автоматизацию процесса включения синхронного генератора. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышении точности работы устройства. Для этого реле разности частот содержит измерители частоты и амплитуды сети, два умножителя на постоянный коэффициент, фазовый детектор, фильтр нижних частот, перемножитель, три компаратора, два исполнительных элемента, измерители частоты и амплитуды генератора, алгебраический сумматор, инвертор, блок деления, два элемента И, два формирователя прямоугольных импульсов, интегрирующий усилитель, два счетчика импульсов, два элемента задержки, регистр памяти, генератор тактовых импульсов, формирователь последовательности коротких импульсов, 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 напряжения сети, U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты напряжения генератора; f₀ - частота напряжения сети; f₁ - частота напряжения генератора; А₀, А₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам напряжения сети и генератора, соответственно, а измерители амплитуды напряжения сети и напряжения генератора преобразуют напряжение сети и напряжение генератора в величины, пропорциональные их амплитудам и равные А₀ и А₁, соответственно. 3 ил.

Реле синхронизации, содержащее измеритель амплитуды напряжения генератора, вход которого является входом напряжения генератора, алгебраический сумматор, первый умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый компаратор и первый и второй исполнительные элементы, отличающееся тем, что введены измеритель частоты напряжения сети, вход которого является входом напряжения сети, а выход соединен с входом первого умножителя на постоянный коэффициент и с входом сложения алгебраического сумматора, измеритель частоты напряжения генератора, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды напряжения генератора, а выход - с входом делимого блока деления, вход делителя которого соединен с выходом измерителя амплитуды напряжения генератора, перемножитель, выход которого соединен с вычитающим входом алгебраического сумматора, а первый вход - с выходом блока деления, измеритель амплитуды напряжения сети, вход которого соединен с входом измерителя частоты напряжения сети, а выход соединен со вторым входом перемножителя, 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 первого умножителя на постоянный коэффициент, а выход "Меньше" второго компаратора соединен с входом второго исполнительного элемента, последовательно соединенные первый формирователь прямоугольных импульсов, вход которого соединен с входом напряжения генератора, и формирователь последовательности коротких импульсов, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, последовательно соединенные второй формирователь прямоугольных импульсов, вход которого соединен с входом напряжения сети, и интегрирующий усилитель, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, третий компаратор, фильтр нижних частот, вход которого соединен с выходом фазового детектора, а выход соединен с входом третьего компаратора, выполненного в виде компаратора с нулевым порогом, первый элемент И, первый и второй входы которого соединены с выходом "Меньше" первого компаратора и с выходом "Больше" второго компаратора соответственно, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом "Больше" третьего компаратора, а третий вход соединен с выходом первого элемента И, первый и второй элементы задержки, входы которых соединены с выходом "Равно" третьего компаратора, последовательно соединенные первый счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И, а вход установки в "0" - с выходом первого элемента задержки, регистр памяти, управляющий вход которого соединен с выходом "Равно" третьего компаратора, и второй умножитель на постоянный коэффициент, а также второй счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго элемента И, вход подачи кода начальной установки соединен с выходом второго умножителя на постоянный коэффициент, управляющий вход второго счетчика импульсов соединен с выходом второго элемента задержки, а вход установки в "0" - с выходом "Равно" третьего компаратора, а выход переполнения второго счетчика импульсов является выходом реле синхронизации, и блок формирования постоянного коэффициента, вход которого соединен с выходом регистра памяти, а выход соединен с входом подачи постоянного коэффициента второго умножителя на постоянный коэффициент, при этом выход "Больше" первого компаратора соединен с входом первого исполнительного элемента, 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 напряжения сети;

U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты напряжения генератора;

f₀ - частота напряжения сети;

f₁ - частота напряжения генератора;

А₀, А₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам напряжения сети и напряжения генератора соответственно,

а измерители амплитуды напряжения сети и напряжения генератора преобразуют напряжение сети и напряжение генератора в величины, пропорциональные их амплитудам и равные А₀ и А₁ соответственно.