РЕЛЕ РАЗНОСТИ ЧАСТОТ Российский патент 2006 года по МПК H01H47/28 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах релейной защиты в качестве реле разности частот сети и генератора в условиях нестабильности амплитуд напряжений сети и генератора.

Известно устройство, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик, дешифратор, формирователь импульсов и исполнительный элемент, выполненный в виде транзистора [1].

Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве реле разности частот.

Известно также 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 этого устройства 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.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее измеритель амплитуды синхронизируемого сигнала, алгебраический сумматор, умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый компаратор и первый и второй исполнительные элементы, измеритель частоты входного сигнала, выход которого соединен с входом умножителя на постоянный коэффициент и с входом сложения алгебраического сумматора, измеритель частоты синхронизируемого сигнала, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды синхронизируемого сигнала, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого соединен с выходом измерителя частоты синхронизируемого сигнала, а выход - соединен с входом вычитания алгебраического сумматора, а также второй компаратор, первый вход которого соединен с первым входом первого компаратора и с выходом алгебраического сумматора, второй вход - с выходом инвертора, вход которого соединен с вторым входом первого компаратора и с выходом умножителя на постоянный коэффициент, а выход "Меньше" - с входом второго исполнительного элемента, 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 входного сигнала, U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты синхронизируемого сигнала, f₀ - частота входного сигнала, f₁ - частота синхронизируемого сигнала, A₀, A₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам входного и синхронизируемого сигналов, соответственно, а измеритель амплитуды синхронизируемого сигнала преобразует синхронизируемый сигнал в величину, пропорциональную его амплитуде и равную масштабному коэффициенту A₁ [3].

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая точность вырабатываемых сигналов управления частотой генератора, поскольку при формировании управляющего сигнала не учитываются возможные условия функционирования сети, связанные с директивным изменением ее частоты. В частности, частота сети может быть равной не только принятой частоте 50 Гц, но и частоте 60 Гц и т.п.

Техническим результатом изобретения является повышение точности.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее измеритель амплитуды синхронизируемого сигнала, алгебраический сумматор, умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый компаратор и первый и второй исполнительные элементы, измеритель частоты входного сигнала, выход которого соединен с входом умножителя на постоянный коэффициент и с входом сложения алгебраического сумматора, измеритель частоты синхронизируемого сигнала, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды синхронизируемого сигнала, выход которого соединен с входом делителя блока деления, вход делимого которого соединен с выходом измерителя частоты синхронизируемого сигнала, а выход соединен с входом вычитания алгебраического сумматора, а также второй компаратор, первый вход которого соединен с первым входом первого компаратора и с выходом алгебраического сумматора, второй вход - с выходом инвертора, вход которого соединен с вторым входом первого компаратора и с выходом умножителя на постоянный коэффициент, а выход "Меньше" - с входом второго исполнительного элемента, 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=А₁/f₁,

где U₀ - сигнал на выходе измерителя частоты входного сигнала, U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты синхронизируемого сигнала, f₀ - частота входного сигнала, f₁ - частота синхронизируемого сигнала, A₀, A₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам входного и синхронизируемого сигналов, соответственно, а измеритель амплитуды синхронизируемого сигнала преобразует синхронизируемый сигнал в величину, пропорциональную его амплитуде и равную масштабному коэффициенту A₁, введен блок формирования постоянного коэффициента, вход которого соединен с выходом измерителя частоты входного сигнала, а выход соединен с входом множителя умножителя на постоянный коэффициент, при этом блок формирования постоянного коэффициента формирует сигнал, уровень которого пропорционален частоте входного сигнала и соответствует относительному допустимому отклонению частоты синхронизируемого сигнала от частоты входного сигнала.

На чертеже представлена электрическая структурная схема реле разности частот.

Реле разности частот содержит измеритель 1 частоты входного сигнала, умножитель 2 на постоянный коэффициент, первый компаратор 3, первый исполнительный элемент 4, измеритель 5 частоты синхронизируемого сигнала, блок 6 деления, алгебраический сумматор 7, инвертор 8, второй компаратор 9, второй исполнительный элемент 10, измеритель 11 амплитуды синхронизируемого сигнала, блок 12 формирования постоянного коэффициента.

При этом вход измерителя 5 частоты синхронизируемого сигнала соединен с входом измерителя 11 амплитуды синхронизируемого сигнала, выход которого соединен с входом делителя блока 6 деления, вход делимого которого соединен с выходом измерителя 5 частоты синхронизируемого сигнала, а выход - соединен с вычитающим входом первого алгебраического сумматора 7.

Кроме того, первый вход второго компаратора 9 соединен с первым входом первого компаратора 3 и с выходом первого алгебраического сумматора 7, второй вход второго компаратора соединен с выходом инвертора 8, вход которого соединен с вторым входом первого компаратора 3 и с выходом умножителя 2 на постоянный коэффициент, а измерители частоты входного 1 и синхронизируемого 5 сигналов преобразуют напряжения входного и синхронизируемого сигналов в соответствии с математическими выражениями:

U₀=A₀/f₀, U=A₁/f₁,

где U₀ - сигнал на выходе измерителя частоты входного сигнала, U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты синхронизируемого сигнала, f₀ - частота входного сигнала, f₁ - частота синхронизируемого сигнала, А₀, A₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам входного и синхронизируемого сигналов, соответственно, а измеритель амплитуды синхронизируемого сигнала преобразует синхронизируемый сигнал в величину, пропорциональную его амплитуде и равную масштабному коэффициенту A₁.

Дополнительно в реле разности частот выход "Меньше" второго компаратора 9 соединен с входом второго исполнительного элемента 10, выход "Больше" первого компаратора 3 соединен с входом первого исполнительного элемента 4, вход блока 12 формирования постоянного коэффициента соединен с выходом измерителя частоты входного сигнала, с суммирующим входом алгебраического сумматора 7 и с сигнальным входом умножителя 2 на постоянный коэффициент, а выход - соединен с входом множителя умножителя 2 на постоянный коэффициент.

Измерители 1 и 5 частоты, как и в устройстве-прототипе, 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 (спада) его частотной характеристики. В этом случае выходное напряжение измерителей будет обратно пропорционально частотам их входных сигналов.

Первый 4 и второй 5 исполнительные элементы могут быть выполнены в виде обмотки реле с соответствующими контактами, которая непосредственно или через усилитель соединена с выходом соответствующего первого 3 и второго 9 компараторов.

Блок 12 формирования постоянного коэффициента формирует сигнал, уровень которого пропорционален частоте входного сигнала и соответствует относительному допустимому отклонению К частоты синхронизируемого сигнала от частоты входного сигнала. В частном случае он может быть выполнен в виде последовательно соединенных аналого-цифрового преобразователя, постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и цифроаналогового преобразователя. Программирование ПЗУ производится в соответствии с величиной допустимого отклонения частоты синхронизируемого сигнала от частоты входного сигнала по заранее известным возможным номинальным значениям частоты входного сигнала.

Остальные блоки являются стандартными блоками электротехники. Цепи питания блоков на чертеже не показаны как несущественные в рамках данного изобретения.

Работает реле разности частот следующим образом.

При включении реле на выходе измерителя 1 формируется сигнал U₀=A₀/f₀, величина которого обратно пропорциональна частоте входного сигнала f₀, например частоте сети, а на выходе измерителя 5 - сигнал U₁=A₁/f₁, обратно пропорциональный частоте синхронизируемого сигнала f₁, например частоте генератора при его включении в сеть, где A₀, A₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам напряжений входного сигнала и синхронизируемого сигнала, соответственно. Одновременно с этим на выходе измерителя 11 формируется масштабный коэффициент A₁, пропорциональный амплитуде напряжения синхронизируемого сигнала. Тогда с учетом преобразования сигналов в блоке 6 деления на выходе алгебраического сумматора 7 формируется относительная величина разности частот

1/f₀-1/f₁=(f₁-f₀)/f₀·f₁≈(f₁-f₀)/f₀ ²,

так как f₁≈f₀, а амплитуда напряжения входного сигнала предполагается стабильной (А₀=1).

Кроме того, сигнал с выхода измерителя 1 умножается в умножителе 2 на малый коэффициент К, определяющий относительное допустимое отклонение частоты синхронизируемого сигнала от частоты входного сигнала. В этом случае в первом компараторе 3 сравниваются величины (f₁-f₁)/f₀ и K/f₀, а во втором компараторе 9 сравниваются величины (f₁-f₀)/f₀ ² и - K/f₀, поскольку на его вход поступает инвертированное инвертором 8 значение сигнала с выхода умножителя 2.

Кроме того, блок 12 формирования постоянного коэффициента формирует сигнал, уровень которого пропорционален текущей частоте входного сигнала и соответствует относительному допустимому отклонению К частоты синхронизируемого сигнала от частоты входного сигнала.

Поэтому в предложенном реле частоты обеспечивается адаптация его работе к возможным изменениям частоты входного сигнала, например, при директивном изменении частоты сети и ее заданию по величине в 50 Гц, 60 Гц и т.п.

Таким образом, предложенное устройство обладает более высокой точностью, поскольку в нем регулирующее частоту синхронизируемого сигнала воздействие формируется с учетом величины частоты входного сигнала.

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

3. RU, 2225653, C1, H 01 Н 47/28, 10.03.2004 (прототип).

Изобретение используется в электротехнике в качестве реле разности частот при подстройке частоты генератора к частоте сети. Технический результат заключается в повышении точности. Для этого реле разности частот содержит измерители частоты входного и синхронизируемых сигналов, измеритель амплитуды напряжения синхронизируемого сигнала, умножитель на постоянный коэффициент, два компаратора, два исполнительных элемента, алгебраический сумматор, инвертор, блок деления, блок формирования постоянного коэффициента. 1 ил.

Реле разности частот, содержащее измеритель амплитуды синхронизируемого сигнала, алгебраический сумматор, умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый компаратор и первый и второй исполнительные элементы, измеритель частоты входного сигнала, выход которого соединен с входом умножителя на постоянный коэффициент и с входом сложения алгебраического сумматора, измеритель частоты синхронизируемого сигнала, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды синхронизируемого сигнала, выход которого соединен со входом делителя блока деления, вход делимого которого соединен с выходом измерителя частоты синхронизируемого сигнала, а выход соединен с входом вычитания алгебраического сумматора, а также второй компаратор, первый вход которого соединен с первым входом первого компаратора и с выходом алгебраического сумматора, второй вход - с выходом инвертора, вход которого соединен со вторым входом первого компаратора и с выходом умножителя на постоянный коэффициент, а выход "Меньше" - с входом второго исполнительного элемента, 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 входного сигнала;

U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты синхронизируемого сигнала;

f₀ - частота входного сигнала;

f₁ - частота синхронизируемого сигнала;

A₀, A₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам входного и синхронизируемого сигналов соответственно,

а измеритель амплитуды синхронизируемого сигнала преобразует синхронизируемый сигнал в величину, пропорциональную его амплитуде и равную масштабному коэффициенту A₁, отличающееся тем, что введен блок формирования постоянного коэффициента, вход которого соединен с выходом измерителя частоты входного сигнала, а выход соединен с входом множителя умножителя на постоянный коэффициент, при этом блок формирования постоянного коэффициента формирует сигнал, уровень которого пропорционален частоте входного сигнала и соответствует относительному допустимому отклонению частоты синхронизируемого сигнала от частоты входного сигнала.