ЧАСТОТНО-ФАЗОВОЕ РЕЛЕ Российский патент 2005 года по МПК H01H47/18 

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. Кроме того, известное устройство обладает относительно низкой помехоустойчивостью и не защищено от относительно кратковременных сбоев частоты.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения одновременного выполнения функций реле частоты генератора и его фазы относительно фазы напряжения сети, а также в повышении помехоустойчивости путем обеспечения защиты от кратковременных сбоев частоты генератора.

Этот технический результат достигается тем, что в частотно-фазовое реле, содержащее первый исполнительный элемент, формирователь коротких импульсов и частотно-зависимый элемент, введены элементы И с первого по пятый, первый и второй сумматоры, первый и второй реверсивные счетчики, одновибратор, пороговые блоки с первого по девятый, второй исполнительный элемент и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и делитель частоты, при этом, вход частотно-зависимого элемента является входом напряжения генератора и соединен с входом четвертого порогового блока, выход “больше” которого соединен с первыми входами первого и второго сумматоров, выход частотно-зависимого элемента соединен с входом пятого порогового блока, выход “меньше” которого соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с входом первого порогового блока, входы сложения и вычитания первого реверсивного счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И, соответственно, первый прямой вход первого элемента И соединен с выходом “меньше” первого порогового блока, с выходом “больше” которого соединен первый прямой вход второго элемента И, второй прямой вход первого элемента И соединен с выходом делителя частоты, а второй прямой вход второго элемента И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход первого реверсивного счетчика соединен со входом первого исполнительного элемента и с входами второго и третьего пороговых блоков, выход “больше” второго порогового блока и выход “меньше” третьего порогового блока соединены с инверсными входами первого и второго элементов И, соответственно, выход одновибратора соединен с входами установки в начальное состояние первого и второго реверсивных счетчиков и с входом запуска генератора тактовых импульсов, а вход одновибратора является входом запуска частотно-фазового реле, вход шестого порогового блока является входом напряжения сети, а выход - соединен со вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с входом седьмого порогового блока, входы сложения и вычитания второго реверсивного счетчика соединены с выходами третьего и четвертого элементов И, соответственно, первый прямой вход третьего элемента И соединен с выходом “меньше” седьмого порогового блока, с выходом “больше” которого соединен первый прямой вход четвертого элемента И, второй прямой вход третьего элемента И соединен с выходом делителя частоты, а второй прямой вход четвертого элемента И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход второго реверсивного счетчика соединен со входом второго исполнительного элемента и с входами восьмого и девятого пороговых блоков, выход “больше” восьмого порогового блока и выход “меньше” девятого порогового блока соединены с первыми инверсными входами третьего и четвертого элементов И, соответственно, выход первого исполнительного элемента соединен с прямым входом пятого элемента И и с входом формирователя коротких импульсов, выход которого соединен с инверсным входом пятого элемента И, выход которого соединен со вторыми инверсными входами третьего и четвертого элементов И, кроме того, первый и второй исполнительные элементы выполнены в виде, соответственно, десятого и одиннадцатого пороговых блоков, входы и выходы которых являются входами и выходами соответствующих исполнительных элементов, а частотно-зависимый элемент производит сдвиг по фазе входного сигнала пропорционально отклонению его частоты от номинальной, соответствующей частоте сети.

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

Частотно-фазовое реле (фиг.1) содержит четвертый пороговый блок 1, вход которого является входом напряжения генератора, а выход “больше” соединен с первым входом первого сумматора 2, выход которого соединен с входом первого порогового блока 3, первый 4 и второй 5 элементы И, первые входы которых соединены соответственно с выходом “меньше” и выходом “больше” первого порогового блока 3, первый реверсивный счетчик 6, вход сложения и вход вычитания которого соединены с выходом первого 4 и второго 5 элементов И, соответственно, второй 7 и третий 8 пороговые блоки, выходы которых соединены с инверсными входами первого 4 и второго 5 элементов И, соответственно, и первый исполнительный элемент 9, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика 6.

Частотно-фазовое реле содержит также последовательно соединенные генератор 10 тактовых импульсов (ГТИ), выход которого соединен со вторым входом второго элемента И 5, и делитель 11 частоты импульсов, выход которого соединен со вторым входом первого элемента И 4, а также одновибратор 12, вход которого является входом запуска частотно фазового реле, а выход - соединен с входом установки в начальное состояние первого реверсивного счетчика бис входом запуска ГТИ 10.

Кроме того, частотно-фазовое реле содержит частотно-зависимый элемент 13, вход которого соединен с входом четвертого порогового блока 1, а выход - соединен с входом пятого порогового блока 14, выход “меньше” которого соединен со вторым входом первого сумматора 2, а также шестой пороговый блок 15, вход которого является входом напряжения сети, второй сумматор 17, первый вход которого соединен с выходом “больше” четвертого порогового блока 1, а второй вход - соединен с выходом “меньше” шестого порогового блока 15, седьмой пороговый блок 18, вход которого соединен с выходом второго сумматора 17, третий 19 и четвертый 20 элементы И, первые прямые входы которых соединены соответственно с выходом “меньше” и выходом “больше” седьмого порогового блока 18, второй реверсивный счетчик 21, вход сложения и вход вычитания которого соединены с выходами третьего 19 и четвертого 20 элементов И, соответственно, восьмой 22 и девятый 23 пороговые блоки, выходы которых соединены с первыми инверсными входами третьего 19 и четвертого 20 элементов И, соответственно, и второй исполнительный элемент 24, вход которого соединен с выходом второго реверсивного счетчика 21.

Частотно-фазовое реле содержит также формирователь 25 коротких импульсов и пятый элемент И 26, при этом, выход первого исполнительного элемента 9 соединен с прямым входом пятого элемента И 26 и с входом формирователя 25 коротких импульсов, выход которого соединен с инверсным входом пятого элемента И 26, выход которого соединен со вторыми инверсными входами третьего 19 и четвертого 20 элементов И, при этом, первый 9 и второй 24 исполнительные элементы содержат, соответственно, десятый 27 и одиннадцатый 28 пороговые блоки, входы и выходы которых являются входами и выходами соответствующих исполнительных элементов.

Пороговые блоки с первого по одиннадцатый могут быть выполнены в виде стандартных компараторов, реверсивные счетчики - по схеме, представленной в [3, стр. 177, 187], делитель 11 - в виде двоичного счетчика. Частотно-зависимый элемент 13 может быть выполнен, например, в виде резонансного контура [2, стр. 52, рис. 1.14].

На фиг.2 представлены следующие временные диаграммы: на фиг.2,а - сигнал U₁ на выходе четвертого порогового блока 1, на фиг.2,б - сигнал U₁₄ на выходе пятого порогового блока 14 при равенстве частоты генератора номинальной частоте (частоте сети), на фиг.2,в - сигнал U₁₄ на выходе пятого порогового блока 14, когда сдвиг частоты генератора приводит к отставанию фазы при прохождении сигнала через частотно-зависимый элемент 13, на фиг.2,г - сигнал U₁₄ на выходе пятого порогового блока 14, когда сдвиг частоты генератора приводит к опережению фазы при прохождении сигнала через частотно-зависимый элемент, на фиг.2,д - сигнал U₂ на выходе первого сумматора 2 (для случая отставания фазы), на фиг.2,е - сигнал Е₆ на выходе первого реверсивного счетчика 6 в аналоговом виде, на фиг.2,ж - сигнал U₂₇ на выходе десятого порогового блока 27.

Частотно-фазовое реле работает следующим образом.

При включении устройства питание подается на все его элементы в том числе на вход запуска одновибратора 12, который вырабатывается импульс, поступающий на вход установки в начальное состояние первого 6 и второго 21 реверсивных счетчиков и на вход запуска ГТИ 10. Начальное состояние первого 6 и второго 21 реверсивных счетчиков целесообразно устанавливать равным или несколько выше пороговых уровней первого 9 и второго 24 исполнительных элементов Uиэ, соответственно. На входы четвертого порогового блока 1 и частотно-зависимого элемента 13, которые являются входом напряжения генератора, поступает, например, напряжение внешнего генератора, включаемого в сеть. Частотно-зависимый элемент 13 производит сдвиг по фазе входного сигнала пропорционально отклонению частоты входного напряжения от номинальной частоты (частоты сети). На выходе четвертого порогового блока 1 формируется сигнал логической единицы при положительной полуволне напряжения внешнего генератора (фиг.2,а), а на выходе пятого порогового блока 14 сигнал логической единицы при отрицательной полуволне напряжения генератора (фиг.2,б, в, г), который под влиянием частотно-зависимого элемента 13 может совпадать, опережать или отставать по фазе в зависимости от величины и знака отклонения от частоты генератора от номинальной частоты (частоты сети). Сигналы с выходов пятого 14 и четвертого 1 пороговых блоков поступают на вход первого сумматора 2, формирующего суммарный сигнал (фиг.2д). Этот сигнал сравнивается в первом пороговом блоке 3 с опорным уровнем Uoп. Если напряжение больше опорного уровня, то уровень логической единицы формируется на выходе “больше” первого порогового блока 3, в противном случае - на его выходе “меньше”. В первом случае импульсы ГТИ 10 через второй элемент И 5 поступают на вход вычитания первого реверсивного счетчика 6, во втором случае - импульсы ГТИ 10 после снижения частоты импульсов в делителе 11 через первый элемент И 4 поступают на его вход сложения (фиг.2,б). В результате, при увеличении амплитуды выходного сигнала сумматора 2 выше уровня Uoп, что соответствует расфазировке сигналов на выходах четвертого 1 и пятого 14 пороговых блоков, сигнал на выходе реверсивного счетчика 6 относительно быстро станет ниже порогового уровня U_иэ9 первого исполнительного элемента 9, что приведет к формированию на выходе десятого порогового блока 27 уровня логической единицы и срабатыванию, например, замыкающего контакта реле контроля частоты внешнего генератора.

Второй 7 и третий 8 пороговые блоки обеспечивают устойчивость работы частотно-фазового реле. При длительной работе в нормальном режиме, когда частота внешнего генератора находится в допустимых пределах, они не позволяют превысить максимально заданный уровень сигнала Uп+ первого реверсивного счетчика, при недопустимо большом отклонении частоты от номинального значения - не позволяют стать меньше минимально заданного уровня сигнала Uп-. Аналогично работают восьмой 22 и девятый 23 пороговые блоки относительно второго реверсивного счетчика 21.

Кроме того, на вход шестого порогового блока 15 поступает, например, напряжение сети, с фазой которого должен быть согласован внешний генератор. На выходе шестого порогового блока 15 формируется сигнал логической единицы при отрицательной полуволне напряжения сети. Следовательно, на его выходе формируется последовательность прямоугольных импульсов, аналогичная последовательности на выходе пятого порогового блока 14 (фиг.2б, в, г), которая может совпадать, опережать или отставать по фазе (с учетом сдвига на полупериод) от фазы напряжения генератора. Сигналы с выходов шестого 15 и четвертого 1 пороговых блоков поступают на вход второго сумматора 17, формирующего суммарный сигнал, аналогичный сигналу фиг.2,е. Этот сигнал сравнивается в седьмом пороговом блоке 3 с опорным уровнем Uoп. Если напряжение больше опорного уровня, то уровень логической единицы формируется на выходе “больше” первого порогового блока 3, в противном случае - на его выходе “меньше”. В первом случае импульсы ГТИ 10 через четвертый элемент И 20 поступают на вход вычитания второго реверсивного счетчика 21, во втором случае - импульсы ГТИ 10 после снижения частоты импульсов в делителе 11 через третий элемент И 19 поступают на вход сложения счетчика 21. При этом, импульсы ГТИ 10 могут проходить через третий 19 и четвертый 20 элементы И только при наличии уровня логического нуля на выходе первого исполнительного элемента 9, что возможно при отклонении частоты генератора в только допустимых пределах относительно номинальной частоты. Тогда, при увеличении амплитуды выходного сигнала второго сумматора 17 выше уровня Uoп, что соответствует существенной расфазировке сигналов на выходах четвертого 1 и шестого 15 пороговых блоков, сигнал на выходе второго реверсивного счетчика 21 относительно быстро станет ниже порогового уровня U_иэ24 второго исполнительного элемента 24, что приведет к формированию на выходе одиннадцатого порогового блока 28 уровня логической единицы и срабатыванию, например, замыкающего контакта реле контроля разности фаз сети и внешнего генератора.

При возможных кратковременных сбоях частоты генератора, что приводит, в частности, к возникновению кратковременного импульса логической единицы на выходе первого исполнительного элемента 9, по переднему фронту этого импульса формирователь 25 коротких импульсов (срабатывающий по переднему фронту на входе) сформирует короткий импульс (длительность которого задается разрешенной длительностью рассогласования частот генератора и сети), который подается на инверсный вход пятого элемента И 26. Следовательно, на вторые инверсные входы третьего 19 и четвертого 20 элементов И будет по прежнему поступать уровень логического нуля, что устранит кратковременный сбой оценке разности фаз генератора и сети во втором реверсивном счетчике 21 из-за кратковременного сбоя частоты генератора. Если сбой частоты генератора превысит разрешенную длительность рассогласования частот генератора и сети, то на выходе пятого элемента И 26 будет восстановлен уровень логической единицы, который при подаче на вторые инверсные входы третьего 19 и четвертого 20 элементов И, остановит оценку разности фаз.

Тем самым расширяются функциональные возможности устройства, поскольку оно реагирует как на отклонение частоты генератора от номинальной, так и на отклонение фазы относительно фазы сети, а также повышается его помехоустойчивость, т.к. устраняется влияние кратковременных сбоев частоты генератора.

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 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. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения одновременного выполнения функций реле частоты генератора и его фазы относительно фазы напряжения сети, а также в повышении помехоустойчивости путем обеспечения защиты от кратковременных сбоев частоты генератора. Для этого частотно-фазовое реле содержит частотно-зависимый элемент, два сумматора, два исполнительных элемента, одиннадцать пороговых блоков, пять элементов И, два реверсивных счетчика, генератор тактовых импульсов, делитель частоты импульсов, одновибратор, формирователь коротких импульсов, при этом вход частотно-зависимого элемента является входом напряжения генератора, вход одновибратора является входом запуска частотно-фазового реле, кроме того, первый и второй исполнительные элементы выполнены в виде, соответственно, десятого и одиннадцатого пороговых блоков, входы и выходы которых являются входами и выходами соответствующих исполнительных элементов, а частотно-зависимый элемент производит сдвиг по фазе входного сигнала пропорционально отклонению его частоты от номинальной, соответствующей частоте сети. 2 ил.

Частотно-фазовое реле, содержащее первый исполнительный элемент, формирователь коротких импульсов и частотно-зависимый элемент, отличающееся тем, что введены элементы И с первого по пятый, первый и второй сумматоры, первый и второй реверсивные счетчики, одновибратор, пороговые блоки с первого по девятый, второй исполнительный элемент и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и делитель частоты, при этом вход частотно-зависимого элемента является входом напряжения генератора и соединен с входом четвертого порогового блока, выход "Больше" которого соединен с первыми входами первого и второго сумматоров, выход частотно-зависимого элемента соединен с входом пятого порогового блока, выход "Меньше" которого соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с входом первого порогового блока, входы сложения и вычитания первого реверсивного счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И соответственно, первый прямой вход первого элемента И соединен с выходом "Меньше" первого порогового блока, с выходом "Больше" которого соединен первый прямой вход второго элемента И, второй прямой вход первого элемента И соединен с выходом делителя частоты, а второй прямой вход второго элемента И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход первого реверсивного счетчика соединен со входом первого исполнительного элемента и с входами второго и третьего пороговых блоков, выход "Больше" второго порогового блока и выход "Меньше" третьего порогового блока соединены с инверсными входами первого и второго элементов И соответственно, выход одновибратора соединен с входами установки в начальное состояние первого и второго реверсивных счетчиков и с входом запуска генератора тактовых импульсов, а вход одновибратора является входом запуска частотно-фазового реле, вход шестого порогового блока является входом напряжения сети, а выход соединен со вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с входом седьмого порогового блока, входы сложения и вычитания второго реверсивного счетчика соединены с выходами третьего и четвертого элементов И соответственно, первый прямой вход третьего элемента И соединен с выходом "Меньше" седьмого порогового блока, с выходом "Больше" которого соединен первый прямой вход четвертого элемента И, второй прямой вход третьего элемента И соединен с выходом делителя частоты, а второй прямой вход четвертого элемента И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, выход второго реверсивного счетчика соединен со входом второго исполнительного элемента и с входами восьмого и девятого пороговых блоков, выход "Больше" восьмого порогового блока и выход "Меньше" девятого порогового блока соединены с первыми инверсными входами третьего и четвертого элементов И соответственно, выход первого исполнительного элемента соединен с прямым входом пятого элемента И и с входом формирователя коротких импульсов, выход которого соединен с инверсным входом пятого элемента И, выход которого соединен со вторыми инверсными входами третьего и четвертого элементов И, кроме того, первый и второй исполнительные элементы выполнены в виде соответственно девятого и одиннадцатого пороговых блоков, входы и выходы которых являются входами и выходами соответствующих исполнительных элементов, а частотно-зависимый элемент производит сдвиг по фазе входного сигнала пропорционально отклонению его частоты от номинальной, соответствующей частоте сети.