ЧАСТОТНО-ФАЗОВОЕ РЕЛЕ Российский патент 2004 года по МПК H01H47/20 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве электронного реле частоты и фазы, например, при подстройке частоты и фазы генератора при его включении в сеть.

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 частотно-фазового реле.

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, выполненный в виде выпрямителя, 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, но не позволяет контролировать частоту и фазу генератора при его подключении в сеть.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения одновременного выполнения функций реле частоты и фазы генератора относительно частоты и фазы напряжения сети.

Этот технический результат достигается тем, что в частотно-фазовое реле, содержащее исполнительный элемент и первый и второй частотно-зависимые элементы, введены умножитель, генератор тактовых импульсов, одновибратор, вход которого является входом запуска частотно-фазового реле, алгебраический сумматор, вход сложения которого соединен с входом умножителя и с выходом второго частотно-зависимого элемента, вход которого является входом напряжения сети, инвертор, вход которого соединен с выходом умножителя, сумматор, элементы И с первого по третий, пороговые блоки с первого по седьмой, а также реверсивный счетчик, при этом первые входы первого и второго пороговых блоков соединены с выходами инвертора и умножителя соответственно, а вторые входы соединены с выходом алгебраического сумматора, первый и второй входы сумматора соединены соответственно с выходом “больше” третьего порогового блока, вход которого соединен с входом первого частотно-зависимого элемента, являющимся входом напряжения генератора, и с выходом “меньше” четвертого порогового блока, вход которого соединен с входом второго частотно-зависимого элемента, а выход сумматора соединен с входом пятого порогового блока, выходы “меньше” и “больше” которого соединены с первыми прямыми входами соответственно второго и третьего элементов И, вторые прямые входы которых соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а третьи прямые входы соединены с выходом первого элемента И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом “больше” первого порогового блока и с выходом “меньше” второго порогового блока, выходы второго и третьего элементов И соединены соответственно с входом сложения и с входом вычитания реверсивного счетчика, вход начальной установки которого соединен с выходом одновибратора и с входом запуска генератора тактовых импульсов, выход реверсивного счетчика соединен с входом исполнительного элемента и с входами шестого и седьмого пороговых блоков, выходы которых соединены с инверсными входами соответственно второго и третьего элементов И, а выход первого частотно-зависимого элемента соединен со входом вычитания алгебраического сумматора.

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

Частотно-фазовое реле содержит исполнительный элемент 1 и первый 2 и второй 3 частотно-зависимые элементы, умножитель 4, генератор 5 тактовых импульсов, одновибратор 6, вход которого является входом запуска частотно-фазового реле, алгебраический сумматор 7, вход сложения которого соединен с входом умножителя 4 и с выходом второго частотно-зависимого элемента 3, вход которого является входом напряжения сети.

Частотно-фазовое реле содержит также инвертор 8, вход которого соединен с выходом умножителя 4, первый 9, второй 10 и третий 11 элементы И, первый 12, второй 13, третий 14, четвертый 15, пятый 16, шестой 17 и седьмой 18 пороговые блоки, реверсивный счетчик 19, сумматор 20.

При этом в частотно-фазовом реле первые входы первого 12 и второго 13 пороговых блоков соединены с выходом инвертора 8 и умножителя 4 соответственно, а вторые входы соединены с выходом алгебраического сумматора 7, первый и второй входы сумматора 20 соединены соответственно с выходом “больше” третьего порогового блока 14, вход которого соединен с входом первого частотно-зависимого элемента 2, вход которого является входом напряжения генератора, и с выходом “меньше” четвертого порогового блока 15, вход которого соединен с входом второго частотно-зависимого элемента 3, а выход сумматора 20 соединен с входом пятого порогового блока 16, выходы “меньше” и “больше” которого соединены с первыми прямыми входами соответственно второго 10 и третьего 11 элементов И, вторые прямые входы которых соединены с выходом генератора 5 тактовых импульсов, а третьи прямые входы соединены с выходом первого элемента И 9, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом “больше” первого порогового блока 12 и с выходом “меньше” второго порогового блока 13.

Кроме того, в частотно-фазовом реле выходы второго и третьего элементов И соединены соответственно с входом сложения и с входом вычитания реверсивного счетчика 19, вход начальной установки которого соединен с выходом одновибратора 6 и с входом запуска генератора 5 тактовых импульсов, выход реверсивного счетчика 19 соединен с входом исполнительного элемента 1 и с входами шестого 17 и седьмого 18 пороговых блоков, выходы которых соединены с инверсными входами соответственно второго 10 и третьего 11 элементов И.

Исполнительный элемент может быть выполнен в виде порогового блока, выход “меньше” которого непосредственно или через усилитель соединен с обмоткой реле с соответствующими контактами. Первый 2 и второй 3 частотно-зависимые элементы могут быть выполнены в виде усилителя, в выходной цепи которого включен резонансный контур, настроенный таким образом, чтобы номинальные значения входных частот приходили на середину линейной части ветви его частотной характеристики. В этом случае их выходные напряжения будут обратно пропорциональны частоте соответствующих входных напряжений. Пороговые блоки с первого по седьмой, а также пороговый блок исполнительного элемента могут быть выполнены в виде стандартных компараторов, реверсивный счетчик - по схеме, представленной в [3, стр. 177, 187]. Остальные блоки являются стандартными блоками электротехники.

На фиг.2 представлены следующие временные диаграммы: на фиг.2а - сигнал U14 на выходе третьего порогового блока 14, на фиг.2б - сигнал U15 на выходе четвертого порогового блока 15 при равенстве частоты генератора частоте сети, на фиг.2в - сигнал U15 на выходе четвертого порогового блока 15 при опережении фазы генератора фазы сети, на фиг.2г - сигнал U15 при задержке фазы генератора относительно фазы сети, на фиг.2д - сигнал U20 на выходе сумматора 20, на фиг.2е - сигнал E19 на выходе реверсивного счетчика 19 в аналоговом виде, на фиг.2ж - сигнал U1 на выходе порогового блока исполнительного элемента 1.

Частотно-фазовое реле работает следующим образом.

При включении устройства питание подается на все его элементы, в том числе на вход запуска одновибратора 6, который вырабатывает импульс, поступающий на вход установки в начальное состояние реверсивного счетчика 19 и на вход запуска ГТИ 5. Начальное состояние реверсивного счетчика 19 целесообразно устанавливать равным или несколько выше порогового уровня порогового блока исполнительного элемента Uиз.

При включении реле на выходе первого частотно-зависимого элемента 2 формируется сигнал, величина которого обратно пропорциональна частоте напряжения генератора 1/f_г, а на выходе второго частотно-зависимого элемента 3 - обратно пропорциональна частоте напряжения сети 1/f_c. В этом случае на выходе алгебраического сумматора 7 формируется относительная величина разности частот 1/f_c-1/f_г=(f_г-f_c)/f_г·_fc≈Δf/f2c

. Кроме того, сигнал с выхода второго частотно-зависимого элемента 3 умножается в умножителе 4 на малый коэффициент К, определяющий допустимое отклонение частоты генератора от частоты сети. Поэтому во втором пороговом блоке 13 сравниваются величины K/f_c и Δ f/ f2c, а в первом пороговом блоке 12 - величины K/f_c и Δ f/ f2c, поскольку на его вход поступает инвертированное инвертором 8 значение сигнала с выхода умножителя 4. Следовательно, сигнал логической единицы на выходе первого элемента И 9 сформируется только тогда, когда разность частот напряжений сети и генератора будет находится в допустимых пределах, определяемых коэффициентом К. Этот сигнал подается на третьи прямые входы второго 10 и третьего 11 элементов И, разрешая произвести сравнение фаз генератора и сети. Это производится следующим образом.

На выходе третьего порогового блока 14 формируется сигнал логической единицы при положительной полуволне напряжения генератора (фиг.2а), а на выходе четвертого порогового блока 15 - сигнал логической единицы при отрицательной полуволне напряжения сети (фиг.2б, в, г), которое может совпадать, опережать или отставать по фазе от напряжения генератора. Сигналы с выходов третьего 14 и четвертого 15 пороговых блоков поступают на вход сумматора 20, формирующего суммарный сигнал (фиг.2д). Этот сигнал сравнивается в пятом пороговом блоке 16 с опорным уровнем Uoп._{Если напряжение больше опорного уровня, то уровень логической единицы формируется на выходе “больше” пятого порогового блока 16, в противном случае - на его выходе “меньше”. В первом случае импульсы ГТИ 5 через третий элемент И 11 поступают на вход вычитания реверсивного счетчика 19, во втором случае через второй элемент И 10 - на вход сложения реверсивного счетчика 19 (фиг.2е). В результате при увеличении амплитуды выходного сигнала сумматора 20 выше уровня Uоп, что соответствует расфазировке сигналов на выходах третьего 14 и четвертого 15 пороговых блоков, сигнал на выходе реверсивного счетчика 19 относительно быстро станет ниже порогового уровня Uиэ исполнительного элемента 1, что приведет к формированию на выходе его порогового блока уровня логической единицы и срабатыванию, например, замыкающего контакта реле контроля разности фаз.}

Шестой 17 и седьмой 18 пороговые блоки обеспечивают устойчивость работы частотно-фазового реле. При длительной работе в нормальном режиме, когда частота и фаза генератора находится в допустимых пределах относительно частоты и фазы сети, они не позволяют превысить максимально заданный уровень сигнала Uп+ реверсивного счетчика 19 при недопустимо большом отклонении частоты и фазы - не позволяют стать меньше минимально заданного уровня сигнала Uп-.

Тем самым расширяются функциональные возможности устройства, поскольку оно реагирует как на отклонение частоты генератора от частоты сети, так и на отклонение фазы относительно фазы сети.

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).

3. Букреев и др. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. - М.: Советское радио, 1975.

Изобретение используется в электротехнике для создания электронных реле частоты, например, при подстройке частоты и фазы генератора при его включении в сеть. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. Для этого частотно-фазовое реле содержит два частотно-зависимых элемента, сумматор, исполнительный элемент, семь пороговых блоков, три элемента И, реверсивный счетчик, генератор тактовых импульсов, одновибратор, алгебраический сумматор, инвертор и умножитель. 2 ил.

Частотно-фазовое реле, содержащее исполнительный элемент и первый и второй частотно-зависимые элементы, отличающееся тем, что введены умножитель, генератор тактовых импульсов, одновибратор, вход которого является входом запуска частотно-фазового реле, алгебраический сумматор, вход сложения которого соединен с входом умножителя и с выходом второго частотно-зависимого элемента, вход которого является входом напряжения сети, инвертор, вход которого соединен с выходом умножителя, сумматор, элементы И с первого по третий, пороговые блоки с первого по седьмой, а также реверсивный счетчик, при этом первые входы первого и второго пороговых блоков соединены с выходами инвертора и умножителя соответственно, а вторые входы соединены с выходом алгебраического сумматора, первый и второй входы сумматора соединены соответственно с выходом "больше" третьего порогового блока, вход которого соединен с входом первого частотно-зависимого элемента, являющимся входом напряжения генератора, и с выходом "меньше" четвертого порогового блока, вход которого соединен с входом второго частотно-зависимого элемента, а выход сумматора соединен с входом пятого порогового блока, выходы "меньше" и "больше" которого соединены с первыми прямыми входами соответственно второго и третьего элементов И, вторые прямые входы которых соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а третьи прямые входы соединены с выходом первого элемента И, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом "больше" первого порогового блока и с выходом "меньше" второго порогового блока, выходы второго и третьего элементов И соединены соответственно с входом сложения и с входом вычитания реверсивного счетчика, вход начальной установки которого соединен с выходом одновибратора и с входом запуска генератора тактовых импульсов, выход реверсивного счетчика соединен с входом исполнительного элемента и с входами шестого и седьмого пороговых блоков, выходы которых соединены с инверсными входами соответственно второго и третьего элементов И, а выход первого частотно-зависимого элемента соединен со входом вычитания алгебраического сумматора.