Импульсный синхронизатор Советский патент 1986 года по МПК H02J3/42 

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к автоматической синхронизации синхронных генераторов, и может быть использовано для включения их на параллельную работу между собой или с сетью.

Целью изобретения является повышение точности и расширение области использования импульсного синхронизатора.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого синхронизатора; на фиг. 2-4 - временные диагра.ммы, поясняющие его принцип действия.

Импульсный синхронизатор (фиг. 1) содержит входные блоки 1 (l ) преобразования напряжения сети (генератора), выявитель 2 знака скольжения, переключатель 3 каналов, блок 4 включения, блок 5 сбрасываюишх импульсов, элемент 6 времени, зажимы 7 и 8 для подкл 0чения напряжения сети и генератора.

Блоки () содержат формирователи 9(9) основных импульсов, формирователи 10(0) управляюпшх импульсов и формирователи 11() вспомогательных импульсов.

Выявитель 2 знака скольжения содержит первую 12, вторую 13, третью 14 и четвертую 15 схемы И, схему ИЛИ 16, генератор 17 импульсов, первый 18, второй 19 и третий 20 триггеры.

Переключатель 3 кана.лов состоит из первой 21, второй 22, третьей 23 и четвертой 24 схем И, первой 25 и второй 26 схем ИЛИ.

Блок 4 включения содержит первую 27, вторую 28 схемы И, схему НЕ 29, счетчик 30 с дешифратором, первую 31 и вторую 32 схемы ИЛИ, триггер 33 и дифференцирующий блок 34 и выходную схе.му И 35.

Блок 5 сбрасывающих импульсов содержит схему ИЛИ 36 и генератор 37 импульсов.

Цепи 38 и 39 являются выходами синхронизатора.

Напряжение генератора и сети подается во входные блоки 1(1) на входы формирователей 9(9) основных импульсов. В блоках 1(1) формирователи 10(10) управляюпдих импульсов своими входами подключены к выходам формирователей 9(9) основных импульсов, а своими выходами подключены к входам формирователей 11 (1 i ) вспомогательных импульсов.

В вь явителе 2 знака скольжения входы первой 12 и второй 13 схем И непосредственно подключены к выходам формирователей 11(11) вспомогательных импульсов и перекрестно подключены к входам формирователей 10(10) управляющих импульсов, а выходы первой 12 и второй 13 схем И подключены через схему ИЛИ 16 к генератору 17 импульсов, выход которого подключен к нулевым входам первого 18 и второго 19 триггеров, а единичные входы этих триггеров подключены соответственно через третью 14 и четвертую 15 схемы И к выходам первой 12 и второй 13 схем И, вторые входы

7

10

20

30

третьей 14 и четвертой 15 схем И перекрестно подключены к нулевым выходам первого 18 и второго 19 триггеров, единичный выход первого 18 триггера подключен к единичному входу третьего 20 триггера, а единичный выход второго 19 триггера подключен к нулево.му выходу третьего 20 триггера.

В переключателе 3 каналов к одному из входов первой 2 и четвертой 24 схем И подключен единичный выход третьего 20 триггера выявителя 2 знака скольжения, к одному из входов второй 22 и третьей 23 схем И подключен нулевой выход третьего 20 триггера выявителя 2 знака скольжения. Другие входы первой 21 и второй 22 схем И переключателя 3 каналов подключены соответственно к выходам формирователей 9(9) основных импульсов входных блоков () преобразования напряжения сети и генератора, а другие входы третьей 23 и четвертой 24 схем И подключены соответственно к выходам формирователей 10(10). упра)Ляющих импульсов вхоцных блоков 1(1).

Выходы первой 21 и второй 22 схе.м И переключателя 3 каналов подключены к входам первой 25 схемы ИЛИ, а выхо.яы третьей 25 23 и четвертой 24 схем И подключены к входам второй 26 схемы ИЛИ.

В блоке 4 включения входы первой схемы И 27 подключены непосредственно к выходу второй схемы ИЛИ 26 переключателя 3 каналов и через схему НЕ 29 к выходу первой схемы ИЛИ 25 переключателя каналов, а входы второй схемы И 28 подключены к выходам первой 25 и второй 26 схем ИЛИ переключателя 3 каналов и к единичному выходу триггера 33. Выходы первой 27 и второй 28 схемы И блока 4 включения под- к.1ючены к входам схемы ИЛИ 36 блока 5 сбрасывающих импульсов., выход которой подключен к входу генератора 37 импульсов этого блока, а выход генератора 37 импульсов подключен к одному из входов первой 3 и второй 32 схем ИЛИ блока 4 включения. К су.ммирующему входу счетчика 30 с дешифратором подключен выход первой схемы И 27, вычитающий вход этого счетчика подключен к выходу второй схемы И 28, а сбрасывающий вход счетчика подключен к 45 выходу первой схемы ИЛИ 31 блока включения. Нервый выход счетчика 30 с дешифратором подключен к входам первой 31 и второй 32 схем ИЛИ, второй выход этого счетчика подключен к единичному входу триггера 33, а третий выход - к входу выходной схемы И 35, второй вход которой подключен к единичному выходу триггера 33, нулевой вход этого триггера подключен к выходу второй схемы ИЛИ 32. Единичный выход триггера 33 подключен к входу дифференцирующего 34 блока, первый выход которого подключен к входу первой Схемы ИЛИ 31, а второй выход дифференцирующего блока 34 ис 1ользуется для подключения к цени

35

40

50

38 увеличения частоты вращения приводного двигателя генератора. Выход выходной схемы И 35 через элемент 6 времени подключен к цепи включения генераторного выключателя.

Импульсный синхронизатор работает следующим образом.

Индексы напряжений на временных диаграммах (фиг. 2, 3 и 4) соответствуют номерам блоков структурной схемы синхронизатора.

Диаграммы (фиг. 2) поясняют принцип действия выходных блоков преобразования напряжений, выявителя знака скольжения и переключателя каналов, а на фиг. 3, 4 - принцип действия блока включения и бл ока сбрасывающих импульсов. Для обеспече- ния большей ясности рисунка на временных диаграммах фиг. 2 синусоиды 7 и 8 синхронизируемых напряжений показаны только на начальном участке оси времени. С этой же целью амплитуды импульсов 10, 11,9 (10 11 9) на выходах соответствующих блоков условно показаны различными. Временные диаграммы фиг. 2 соответствуют авум возможным режимам работы синхронизатора; когда частота гнапряжения генератора меньше частоты fc напряжения сети и когда частота напряжения генератора больше частоты ft- напряжения сети.

На фиг. 3 рассмотрены случаи, когда частота скольжения Af превышает к не превышает допускаемое значение на фиг. 4 показан случай, когда частота сколь- жения Д практически равна нулю, т.е. имеет место так называемое «зависание.

называемое Во входных блоках l(l ) преобразования напряжений в момент прохождения синусоид синхронизируемых напряжений через нулевую фазу вырабатываются основные импуль- сы 9, длительность которых равна половине периода соответствующих входных напряжений, остроугольные управляющие 10 и прямоугольные вспомогательные 11 импульсы. Если , то управляющие импульсы сети своим передним фронтом смещаются шаг за шагом в сторону заднего фронта вспомогательных 11 импульсов генератора и в момент совпадения импульсов 10 :-i 11 срабатывает первая схема И 12 выявителя 2 знака скольжения, которая своим сигналом Uu запускает схему ИЛИ 16. При появлении сигнала Uis прекращает работать генератор 17 импульсов на нулевые входы первого 18 и второго 19 триггеров сигнал и 1г не подается. Так как до .момента совпадения импульсов 10 и П генератор импульсов работал, то триггеры 18 и 19 находились в состоянии, при котором на их нулевых выходах имелся сигнал, подготавливающий к работе третью 14 и четвертую 15 схемы И. После совпадения импульсов 10 и 11 сигнал lJi2 вызывает срабатывание третьей схемы И 14, а сигнал Uu вызывает переход триггера 18 в единичное состояние.

При этом снимается сигнал с нулевого выхода триггера 18 и тем самым блокируется срабатывание четвертой схемы И 15 после совпадения импульсов 10 и 11. Сигнал l. is вызывает переход третьего триггера 20 в еди 1ичпое состояние. Если ,-, то вначале происходит совпадение импульсов 10 и 11, поваляется сигнал Ui3, срабатывает четвертая схема И 15, сигнал Ui5 с выхода которой вызывает переход второго триггера 19 в единичное состояние. Сигнал Ui9 вызывает переход третьего триггера 20 в нулевое состояние.

Если триггер 20 находится в единичном состоянии (), то появление сигнала Ug вызывает срабатывание первой схемы И 21 переключателя каналов, и сигнал на выходе Э1 ой схемы приводит к появлению на выходе liepr.oii схемы ИЛИ , причем с В1 :хода

в этом случае с.юдуют прямоугатьные им- плльсы, длнтетыкхть которых равна пато- вине периода напряжения генератора, а частота равна ме ;ьшей частоте.

Появление сигнала IJ io приводит при к срабатыванию четвертой схемы И 24 переключателя каналов появлению сигнала U24. который вызынает срабатывание второй схемы ИЛИ 26 и появление на ее выходе сигнала U26 в виде остроугапьных импульсов, частота следования которых равна бань- шей частоте.

первой схемы ИЛИ 25

Если триггер 20 находится в нулевом состоянии (), го появление сигнала Ug вызывает срабатывание второй схемы И 22, появление сигнала U22, затем срабатывание первой схемы ИЛИ 25 и появление сигнала U25. Появление сигнала Uan вызывает срабатывание третьей схемы И 23, появление сигнала U23, срабатывание второй схемы ИЛИ 26 и появление сигнала Use. При этом сигнал L as представляет из себя прямоугапь- ные импульсы длительнсхтью в половину периода меньшей частоты, а сигнал ЬЧв - остроугатьные и.мпульсы, частота следования которых равна большей частоте. Таким образом, независимо от знака скатьжения с выхола первой схемы ИЛИ 25 следуют прямоугольн.ые основные и iпyльcы меньшей частоты. . 1 ьность которых равна па ю- в«ке периода, а с выхода второй схемы ИЛИ 26 следуют остроугальные (управляющие) и i yльcы бапьп 1ей частоты.

В блоке 4 включения производится оценка величины частоты скольжения путем подсчета числа совпадений управляющих импульсов большей частоты с основными импульсами меньшей частоты и формирование команды на включение генераторного выклю- чатепя с постоянным временем опережения. Ширина шага Д7 импульса большей частоты по импульсу мень.шей частоты равна разности периодов синхронизируемых напряжений.

Т--Т,„-Т,(1)

где Гмч - период меньшей частоты;

Гб 1 - период большей частоты.

Из (1) следует, что Д7 можно вычислить по формуле

,(2)

1бч - лч

большая частота;

мч-меньшая частота; Af.f64-fwM - частота скольжения.

Число N шагов импульсов оольшей часоты по импульсам меньшей частоты равно

Т мч fO i

..

2ДТ

ZAf

-ъ.Т «)

Если ,,, то .JO,, и тем самым включение генератора на паралле.-1ьную работу возможно. Если Л Д1дол., то и включение генератора па параллельную работу занрещается. Этот случай иллюстрируется временными диаграммами, приведенными слева на фиг. 3. Для простоты здесь принято, что N

уменьшения времепи, затрачиваемого на процесс синхронизации в блоке 4 включения организован подсчет числа Ых.ол с инвертированными импульсами меньшей частоть; и сигналы па входы первой схемы И 27 этого блока поступают с выхода большей 2.5 частоты переключателя каналов и через схему НЕ 29 с выхода меньшей частоты, тем самым обеспечивается заблаговременная оценка разности частот. В связи с тем, что /Д / -Д1дд„, импульсы бапьп1ей частоты U26 совпадут с инвертированными импульсами 30 меньшей частоты LJ29 тапько один раз и после появлепия сигнала ЬЧ в счетчике 30 с дешифратором запип1ется число, равное единице. Так как второй имнульс в этом периоде скольжения с выхода первой схемы И 27 не появится, то счетчик 30 с дешифра- 3.5 тором устанавливается в нулевое состояние. Это производится с целью искючения ошибки при определении частоты скольжения, так как если показания счетчика не сбрасывать, то они в следуюш.ем периоде скольжения будут суммироваться. Сброс Счетчика 30 осуш,ествляется первой схемой ИЛИ 31, запускаемой сигналом Us с выхода генератора 37 импульсов. Частота f™ следования сигналов с выхода генератора 37 импульсов выбирается большей частоты сколь- жения. Сигнал Uj появляется потому, что второй раз не появился сигнал Uje на выходе схемы ИЛИ 36 блока 5 сбрасывающих импульсов, так как третьего совпадения не произои1ло. Сигнал Us, кроме того, вызывает появление сиг нала 1)32 на выходе второй схемы ИЛИ 32 и тем самым блокирование триггера 33.

Если ДГ ДГлоп, то устройство работает следующим образом.

После двухкратного совпадения остроугольных импульсов большей частоты U26 с инвертированными импульсами меньшей частоты U29 и при двухкратном появлении сигнала U27 в счетчике 30 с дешифрато10 с дешифратором. Очередное совпадение сигналов Uae и U29 фиксируется первбй схемой И 27 н счетчик начинает считать остаток совпадения импульсов большей частоты с инвертированными импульсами меньшей частоты, т.е. число, равное

NCC

N - N.U,n ,% (4)

2Д1.ДГд.оп

После подсчета остатка совпадений NOCT имнульс1: 1 большей частоты начинают перемешаться по импульсам меньшей частоты. Так

равно двум. Для t триггер 33 находится в единичном состоянии, есть сигнал Сзз на его выходе, то при совпадении сигналов и U26 срабатывает вторая схема И 28 и юявляется сигнал U2g. Показания счетчика 30 с дешифратором начинают вычитаться и при записи в счетчике числа минус единица не ег о третьем выходе появляется сигнал, поступающий на выходную схему И 35. появление сигнала Uss приводит к запуску элемента 6 времени, который спустя заданное время задержки г- включает цепь 39 включения генераторного выключате. 1Я. В момент появления сигнала на третье. выходе счетчика 30 с дешифратором и сбрасывания выходной схемы И 35 совпадения синхронизатор вырабатывает постоянное время опережения. Это справедливо, поскольку при появлении сигнала на третье.м выходе счетчика 30 с дешифратором в нем записано число минус единиц-а, т.е. на интервале совпадений импульсов большей частоты с импульсами меньп ей частоты сосчитан остаток совпадения NOCT и до момента совпадений переднего фронта импульсов большей частоты с передним фронтом и.мпульсов меньшей частоты осталось число совпадения N/lon.

Угол опережения в этот момент времени будет равен

§оп №ои-Д (5)

1лч

в (5) произведение .Мдоп. ДГ равно интервалу времени, который остался до совпадения нулевых фаз синхронизируемых на- 50 пряжений, а дробь - определяет переход от масг-;ггаба времени к масштабу угла.

Подставляя в (5) значение Naon из формулы (3), а значение Т из формулы (2) получим

40

Л - 3

Ооп - 77

1.Ж)180. -AfjiAt (6)

ffi4;- мч7мч ДЬоп

где К солз1

UI дон

ром запишется число NAOFI и на его втором выходе появляется сигнал, устанавливающий триггер 33 в единичное состояние (временные диаграммы приведены на фиг. 3 справа).

В момент переброса триггера 33 с нулевого состояния в единичное па первом выходе дифференцируюшего блока 34 появляется сигнал U34, который вызывает срабатывание первой схемы ИЛИ 31, появление сигнала Оз и сброс показателей счетчика 30

с дешифратором. Очередное совпадение сигналов Uae и U29 фиксируется первбй схемой И 27 н счетчик начинает считать остаток совпадения импульсов большей частоты с инвертированными импульсами меньшей частоты, т.е. число, равное

NCC

N - N.U,n ,% (4)

2Д1.ДГд.оп

Л - 3

Ооп - 77

1.Ж)180. -Af2Д доп ffi4;- мч7мч ДЬоп

где К солз1

UI дон

7

Из (6) следует, что синхронизатор вырабатывает команду на включение выключателя генератора с постоянным временем опережения Топ , равным

Ь ОП

д Ш AL 117}

360Л{ Лfдon360дf 2Д1Аод

Поскольку время включения выключателя генератора {якл в общем случае не равно времени опережения, в состав синхронизатора введен элемент времени, задерживающий команду на включение выключателя генератора на время € з , равное V, (,on - tgits (8)

Если имеет место так называемое «зависание, /Д1/- 0, то синхронизатор выдает команду на включение цепи 38 yBejiH4eHHH частоты вращения приводного двигателя генератора. Работа синхронизатора в этом случае иллюстрируется временными диаграммами, приведенными на фиг. 4. Здесь принято, что N.ion равно трем, а NwaKc (переполнение счетчика) равно пяти. При совпадении импульсов больщей частоты с инвертированными импульсами меньшей частоты и записи в счетчике числа N-wn происходит переброс триггера 33 в единичное состояние, появление сигналов Uj,, и U34 и сброс счетчика в нулевое состояние. Последующие совпадения сигналов Use и U29 вновь вызывают запись числа совпадений в счетчике 30 с дешифратором. При переполнении счетчика (в рассматриваемом на фиг. 4 примере при записи в счетчике числа пять) появляется сигнал на первом выходе счетчика 30 с дешифратором, который вызывает срабатывание первой 31 и второй 32 схем ИЛИ, сброс сигналом Usi счетчика 30 с дешифратором и переброс сигналом Uao триггера 33 в нулевое состояние. Этот переброс триггера 33 фиксируется дифференцирующим блоком 34, на выходе которого появляется сигнал U34 отрицательной полярности, включающий цепь 38 увеличения частоты вращения приводного двигатачя retiepaTOpa.

Формула изобретения

Импульсный синхронизатор, содержащий входные блоки преобразования напряжений сети и генератора, каждый из которых содержит формирователь управляющих импульсов, формирователь вспомогательных импульсов и формирователь прямоугольных импульсов, выявитель знака скольжения, содержащий четыре схемы И, два триггера и две схемы ИЛИ, переключатель каналов, содержащий две схемы ИЛИ, блок включения, содержащий счетчик с дешифратором, триггер, схему ИЛИ и выходную схему И, блок сбрасывающих импульсов, содержащий последовательно включенные схемы ИЛИ и генератор импульсов, причем первые входы первой и второй схемы И выявителя знака

1224900

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

скольжения подключены к выходам соответ- ствуюп1его формирователя вспомогательных импульсов входных блоков, вторые входы каждой из которых подключены перекрестно к выходам формирователей управляющих импульсов, отличающийся тем, что, с целью гтовыщения точности и расширения области использования, устройство снабжено элементом времени, который входом подключен на выход выходной схемы И блока включения, а выходом - к цепи включения выключателя генератора, в качество формирователей прямоугольных импульсов входных блоков использованы фор.мирователи прямоугольных импульсов, равных половине периода входного напряжения, причем выход каждого формирователя прямоугольных импульсов подключен к входу соответствующего формирователя управ.пяющих импульсов, выход каждого из которь х подключен к входу соответствующего формирователя :вС1 Омогательнь х импульсог, п состав выявителя знака скольжения введены схема ИЛИ, генератор импу.чьсов и триггер, причем выходы первой и второй схемы И под- к,чючены через схему ИЛИ к генератору импульсов, выход которого подключен к нулевым входам первого и второго триггеров, а единичные входы первого и второго триггеров подключены соответственно через тре1. ью 1 чет15ерт ю схемы И к выходам первой и второй схем И, вторые входь третьей и четвертой схем И перекрестно подключены к нулевым выходам первого и второго триггеров, единичный выход первого триггера подключен к единичному входу третьего триггера, а нулевой вход этого триггера подключен к единичному выходу второго триггера, а выходы третьего триггера под- к.г110чены к входам переключателя каналов, который снабжен четырьмя схемами И, причем первые входы первой и четвертой схем 11 переключатепя каналов подключены к единичному выходу третьего триггера выявителя знака ско,льжения, к нчлевому выходу которого подключены первые входы второй и третьей схем И переключателя каналов, другие входы первой и второй схемы И пере- ключатепя каналов подключены соответственно к выходам формироватетей пря- .моугольных импульсов входных блоков преобразования напряжения генератора и сети, а другие входы третьей и чегдертой схем И псреключат&тя каналов подк.:1юче.чы соответ- c l Befnio к выходам формпрон,ч 1елсп управ.1я- юших пмпульсов входных б, юко преобразо- закия напряжения генератора и сети, выходы первой и второй И нереклю- чатетя каналов подключены к входам первой схемы ИЛИ, а выходы третьей и четвертой схемы И - к входам второй схемы ИЛИ, причем выход первой схемы ИЛИ переключателя каналов образх ет выход меньшей частоты, а выход второй схемы ИЛИ переключателя каналов образует выход

большей частоты, в блок включения введены две схемы И, схема НЕ, схема ИЛИ и дифференцирующий блок, а счетчик с дешифратором выполнен с тремя выходами переполнения счетчика, записи в счетчике заданного числа и записи в счетчике числа минус единица, нричем выход большей частоты переключателя каналов подключен к одному из входов дополнительно введенных схем И блока включения, а выход меньшей частоты переключателя каналов непосредственно подключен к второму входу дополнительно введенной второй схемы И блока включения и через схему НЕ к второму входу первой схемы И, выход первой из схем И подключен к суммируюш,ему входу счетчика с дешифратором и к схеме ИЛИ блока срабатываюших импульсов, выход второй схемы И подключен к вычитающему входу счетчика с дешифратором и к схеме ИЛИ блока сбрасьшаюших импульсов, первый выход счетчика с дешифратором подключен к входам двух схем ИЛИ блока включения, к другому входу первой из них

подключен первый выход дифференцирующего блока, к третьему входу этой схемы - выход генератора импульсов блока сбрасывающих импульсов, а выход этой схемы ИЛИ подключен к сбрасываюшему входу счетчика с дешифратором, к другому входу второй схемы ИЛИ подключен выход генератора импульсов блока сбрасывающих импульсов, а выход этой схемы ИЛИ подключен к нулевому входу триггера, единичный вход триггера подключен к второму выходу счетчика с дешифратором, а единичный выход триггера - к третьему входу второй из дополнительно введенных схем И блока включения, к входу дифференцируюпл,его блока и к одному из входов выходной схемы И, второй вход которой подключен к третьему выходу счетчика с дешифратором, второй выход дифференцирующего блока служит для по;1К. Г )чения к цепи увеличения частоты Bpanieii Я приводного двигателя генератора, а Hhixixi выходной схемы И через элемент Eipi viC iiH с.лужит для подключения к цепи ii;. ;0чеиия генераторно1-о выключателя.

/Afl- Q

Фиг.

Импульсный синхронизатор может быть использован для автоматической синхронизации синхронных генераторов для включения их на параллельную работу между собой или с сетью. Целью изобретения является повышение точности и расширение области применения. Это достигается введением в импульсный синхронизатор с постоянны.м временем опережения элемента 6 времени, который входом подключен к выходу схемы и блока 4 включения, а выходом - к цепи включения Езыключателя генератора. Этот элемент 6 времени задерживает команду на включение выключателя генератора, что расширяет возможности синхронизатора по отработке времен с; орежс; ия. Во входные блок) 1 Н г преобразования на 11ряжения сети и генератора введены формирователи 9 и 9 основных импульсов, на выходе кото- в момент прохождения синусоид син- хроннзируег.1ых напряжений через нулевую фазу получают прямоугольные импульсы, длительность которых равна половине периода соответствующих входных напряжений. При этом отпадает необходимость в настройке формирователей и обеспечивается повышение точности работы синхронизатора, т.к. длительность и.мпульсов не .меняется при изменении источника тока синхронизируемых напряжений, а также при изменении условий работы синхронизатора. В выявитель 2 знака скольжения введены схема ИЛИ 16, генератор 17 импульсов и триггер 20, а в переключатель 3 каналов введены четыре схемы И . В блок 4 включения дополнительно введены две схемы И 27 и 28, схема НЕ 29, схема ИЛИ 32 и дифференцирующий блок 34, а счетчик 30 с дешифратором выполнен с тремя выходами, на первом из которых появляется сигнал при переполнении счетчика, на втором при записи в счетчике числа минус единица. 4 ил. (Л Ю ю 4 со Лиг/