Цифроаналоговый синхронизатор Советский патент 1987 года по МПК H02J3/42 

ментами перехода через нуль указан- ных напряжений. На выходе измерителей 3 и 4 периода с помощью делителей 32 и 37 на два, схем И 33 и 38, счетчиков 34 и 39, регистров 35 и 40 и цифроаналоговых преобразователей 6 и 7 формируются напряжения, величины которых пропорциональны соответственно периодам напряжения сети и генератора. В зависимости от разности напряжения и его знака через компараторы 10 и 11 и элементы НЕ осуществляется воздействие на изменение числа оборотов генератора. При нахождении {казанной разности в допустимых пределах подается через элемент И 30 команда на включение генератора при одновременном

1

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам автоматического включения синхронных генераторов на параллельную работу с сетью..

Цель изобретения - увеличение быстродействия и упрощение синхронизатора, а также улучшение качества переходного процесса.

На фиг. 1 дана принципиальная блок-схема синхронизатора; на фиг.2- 6 - временные диаграммы, поясняющие его принцип действия,

Цифроаналоговый синхронизатор включает в себя формирователь 1 напряжения сети, формирователь 2 напряжения генератора, блок 3 измерения периода сети, блок 4 измерения периода генератора, генератор 5 высокой частоты, первый цифроаналого- вый преобразователь 6, второй цифро- аналоговый преобразователь 7, первый вычитающий блок 8, задатчик 9 нижнего допуска разности частот, первый компаратор. 10, второй компаратор 11, задатчик 12 верхнего допуска разности частот, первый элемент НЕ 13, второй элемент НЕ 14, механизм 15 изменения оборотов генератора, генератор 16 пилообразного напряжения , третий компаратор 17, задатчик 18 угла опережения,D -триггер 19,

поступлении сигналов от цепи, формирующей сигнал в момент, когда сдвиг фаз между напряжениями сети и генератора равен углу опережения на включение выклю 1ателя, и от цепи, формирующей сигнал, свидетельствующий о равенстве напряжений сети и генератора. Первая упомянутая цепь состоит из генератора 16 пилообразного напряжения, компаратора 17, за- датчика 18 угла опережения и 1) -триггера 19. Вторая цепь состоит из датчиков напряжения 20, 21, выуитате- ля 22, компараторов 25, 26 и задат- чиков 23 и 24. Элементы НЕ 27 28 установлены в цепи механизма 29 изменения напряжения генератора. 3 з,п. ф-лы, 6 ил.

измеритель 20 напряжения сети, измеритель 21 напряжения генератора, второе вычитающее устройство 22, за- датчик 23 верхнего допуска разнос- ти напряжения и задатчик 24 нижнего допуска разности напряжения, четвертый 25 и пятый 26 компараторы, третий элемент НЕ 27, четвертый элемент НЕ 28, механизм 29 изменения на- пряжения генератора, элемент И 30, выходную цепь 31 включения.

Блок 3 измерения периодов напря- жений. сети содержит делитель 32 частоты на два, элемент И 33, счетчик 34, регистр 35, схему СБРОС 36. Соответствующие элементы 37-41 блока 4 измерения периодов генератора.

Условиями включения синхронизируе

мого генератора на параллельную работу являются: наличие логической I на входе первого компаратора 10, что , соответствует случаю f,,.,,-Г,.„„ & f. „ ;

It, ti

наличие логической 1 на выходе вто- рого компаратора II, что соответству- ет случаю . Аоп.макс наличие логической 1 на выходе четвертого

компаратора 25, когда Ure Ц

сети.

+ли. ; наличие логической 1 на выходе пятого компаратора 26, когда

и ген

Доп появление логи- I ческой 1 на выходе D -триггера в момент, когда на сдвиг по фазе между

напряжениями генератора и сети равен углу опережения на включение выключателя генератора при фактической разности частот f,

геи

и f,

сети

Если разность частот или напряжений генератора и сети вьшша за пределы допуска, на выходах соответствующих компараторов будут логические О, что равнозначно командам на из- менение оборотов или напряжения генератора.

Принцип измерения периода напряжения сети поясняется фиг. 2. Измеритель периода генератора по своей схеме полностью аналогичен измерителю 3 сети, поэтому все рассуждения при рассмотрении принципа действия измерителя 3 периода сети справедливы и для измерителя 4 периода напряжения генератора.

Напряжение синусоидальной формы Uj.j подается на входной формирова

тель 1, который дает на выходе импульсы прямоугольной формы U(, фрон- ты которых совпадают по времени с моментами перехода через О напряжения и . Импульсы Ц поступают на первый вход измерителя 3 периода, к которому подключен вход делителя 32 частоты на два.

Длительность импульсов U- и U , снимаемых с прямого и инверсного выходов, строго равна периоду напряжения сети.

Импульсы подаются на первый вход элемента И 33, на второй вход которого приходят импульсы Ug от генератора 5 высокой частоты. С выхода элемента И 33 снимаются пачки

импульсов и

33

причем длительность

пачки равна измеряемому периоду. По переднему фронту импульсов схема СБРОС 36 формирует короткие (менее 1 МКС) импульсы и, счетчик 34 в

С приходом импульсов содержимое N счетчика 34 начинает линейно

45

, переводящие состояние О.

Аналогичным образом формируетс напряжение U на выходе цифроанал гового преобразователя 7, которое пропорционально периоду генератор Напряжения цифроаналоговых преобр .вателей 6 и 7 поступают на входы читающего блока 8, причем напряже пропорциональное периоду сети, по ется на неинвертирующий вход, а н пряжение, пропорциональное период генератора, - на инвертирующий вх вычитающего блока 8. Напряжение

и

О только в том случае, : Т... . т.е. когда f., х.

где К Тгец-

При этом Ug (Uj- .K,

когда

f.

нарастать. Частота следования импуль-50 коэффициент усиления вычитающего сов и емкость счетчика 34 выбраны

устройства.

так, что счетчик 34 внутри измеряемого периода,обнуляется по переполнению нескольких фаз. Это позволяет увеличить чувствительность измерителя периодов, содержимое Н,,счетчика линейно нарастает и скачком падает до О в момент переполнения (моменты t, , t, t3).

0

5 0

5

0

5

мс,кс 52 Гц и

Синхронизатор работает в относительно узком диапазоне частот. С запасом можно принять

мин Гц.

Поэтому в предлагаемом синхронизаторе принято, что последняя пила N,, на интервале импульса начинается через t ±19,23 мс, а оканчивается через t ±22,73 мс.

Это соответствует частотам 52 и

;44 Гц. После окончания импульса содержимое считчика N хранится до

прихода следующего импульса .

В момент окончания периода перед- 5 ним фронтом импульса U jинформация, записанная в счетчике 34, переносится в регистр 35 и хранится до начала следующего импульса U,.

Выходы регистра 35 связаны с соответствующими входами цифроаналогово- го преобразователя 6, выполненного, например, в микросхемном исполнении и представляющем собой токовые ключи, резистивную матрицу R-2R, к которой подключен операционный усилитель. Цифроаналоговый преобразователь 6 позволяет преобразовать содержимое

в эквивалентное напряжеjg, пропорциональное периоду се- 2 дан случай, когда Т,

N регистра ние Ug Ти.

На фиг. 2 дан случай, когда д-, const, поэтому и содержимое регистра N, и напряжение U g неизменны по величине.

Аналогичным образом формируется напряжение U на выходе цифроанало- гового преобразователя 7, которое пропорционально периоду генератора. Напряжения цифроаналоговых преобразо- .вателей 6 и 7 поступают на входы вычитающего блока 8, причем напряжение, пропорциональное периоду сети, подается на неинвертирующий вход, а напряжение, пропорциональное периоду генератора, - на инвертирующий вход вычитающего блока 8. Напряжение

и

О только в том случае, : Т... . т.е. когда f., х.

где К Тгец-

При этом Ug (Uj- .K,

когда

f.

коэффициент усиления вычитающего

коэффициент усиления вычитающего

устройства.

На фиг. 3 и 4 показана реализация первых двух условий для выдачи команды на включение генератора на параллельную работу.

На фиг. 3 можно вьщелить следующие моменты времени: t - момент включения синхронизатора; до момента

ген

Ug 0;

с момента

54

времени t, синхронизатор дает команду Прибавить обороты генератора, начинает расти; tj - момент

времени, когда fг сети 8°

В промежутке времени от t до t сетц ° синхрон затор продолжает выдавать команду Прибавить обороты, так как Ug - U , где U - напряжение, соответствующее нижней границе поля допуска iif f. - .05Гц.

До тех пор, пока U,Ug&U|, 0,05 Гц.лГ ё 0,2 Гц. Если Ug (bf) выйдет за верхнюю границу допуска Ц (момент времени t ), то синхрониза- тор даст команду Убавить обороты. Для управления механизмом изменения оборотов используется двигатель постоянного тока. Чтобы избежать перерегулирования (после снятия ко- манд Прибавить или Убавить обороты генератора должны оставаться в поле допуска) в цепь якоря двигателя включается резистор, ограничивающий скорость вращения этого двигателя.

Как видно из фиг.З, напряжения, снижаемые с задатчиков допусков разности, Ц и и, 0. Поэтому компара- тор 10 дает на выходе логическую 1 только когда Ug U и когда Ug подано на неинвертирующий вход этого компаратора. Если на выходе компаратора 10 - О, то с выхода схемы НЕ 13 снимается логическая 1 и поступает на первый вход механизма 15 изменения оборотов, который увеличивает обороты генератора. Логическая 1 на выходе компаратора 11 может присутствовать, когда Ug S U. Для этого напряжение Ug подано на инвертирующий вход компаратора 11. В случае необходимости команда на уменьшение оборотов генератора поступает на второй вход механизма 15 через элемент НЕ 14. Наличие двух логических 1 на первом и втором входах элемента И 30, которые поступают от компараторов 10 и II, дает информа-

ЦИЮ о том, что ЬГдопмии геи- се и Л допмЛ Это значит, что разность частот в допуске и fген fСети- Формирование логической 1 на выходе D-триггера 19 в момент, когда сдвиг по фазе меж ду напряжениями , и Равен углу опережения на включение выключателя, при текущей разности частот ffQ И f(,e реализуется следующим об

5 0

5

О , д с Q

г

16

разом (фиг. 5): передним фронтом каждого импульса и, с выхода формирователя 1 запускается генератор 16 пилообразного напряжения, напряжение Ц которого подается на первый вход компаратора 17. На второй вход этого компаратора поступает напряжение U,g с выхода задатчика I8 угла опережения. В момент равенства Ц U|g компаратор 17 скачком меняет состояние, формируя на выходе импульс U,,

Как видно из фиг. 5 длительность и тульсов и, при неизменной, крутизне напряжения U, пропорциональна уровню напряжения U,,, которое в свою очередь корректируется в зависимости от разности f, -Г„„. напряжением

1Сп сети

Ug с выхода вычитающего устройства 8,

На фиг. 5 импульсы и„ показа ны разной длительности, что отвечает двум разным значениям U и U,g - на выходе задатчика 8 угла опережения. Длительность импульса U соответ- ствует меньшему значению Uig , длительность импульса и - больщему

м значению U,g . Ширина импульсов U,

выраженная в электрических градусах, есть угол опережения, при котором должна быть выдана команда на включение выключателя генератора. Так как f|.gj сети последовательность импульсов и, с выхода формирователя 1 напряжения сети можно считать заторможенной, а последовательность импульсов с выхода U формирователя напряжения генераторов - движущейся относительно импульсов U, справа налево.

На фиг. 5 видно как на каждом периоде импульсов и, меняется сдвиг по фазе между напряжением U, сети и Uj, генератора.

Передний фронт третьего по счету импульса и совпадает с задним фронтом импульса и, . Так как импульсы и, и и подаются на входы тактирующего фронтом D-триггера ( на D-, вход, а Uj на С-вход), то в момент совпадения переднего фронта импульса и с задним фронтом импульса U, на прямом выходе D-триггера появится логическая 1.

Длительность импульса определяется следующим образом: при заданной зоне uf on freH-fсети (обычно uf 0,05-0,2 Гц) задается середина диапазона .

0,05 Гц и лГ.

Аоп.макс

0,2 Гц

0,125 Гц.

Период биений Т С, за

время ,g передний фронт импульса U (см. фиг.4) пройдет путь в 360 эл. град, от одного момента совпадения фаз импульсов U, до еле дующего момента совпадения фаз этих напряжений. Отсюда скорость движения переднего фронта импульса U,j относительно импульсов U(

360 , и- - ,---- - 5иен При собственном включении времени

выключателя tg генератора команду на включение генератора нужно выдать при угле опережения V . 0,1-0,6 с ).

Принявtg 0,2 с, получимoi„ngp

45 .o,2 с 9 эл.град.

Включение генератора на параллельную работу осуществляется при частотах, близких к 50 Гц, поэтому с достаточной точностью длительность импульса и,, которую необходимо задать для времени и середины диапазона

t -Г

- 0,125 Гц, можно определить из пропорции:

180 эл.град - 10 тс 9 эл.град - X тс. откуда X 0,5 тс.

Коррекция длительности импульса и, при отклонении текущей разности частот frg и fj,, от середины диапазона происходит за счет воздействия напряжения Ug на задатчик 18 угла опережения.

Логическая 1 с выхода D -тригге- 45 повьш1ения быстродействия и упрощения

ра 19 приходит на третий вход схемы И 30.

Разрешение на включение генератора по четвертому и пятому входам элемента И 30, когда напряжение лежит в поле допуска, формируется так: переменные напряжения U и Ц. преобразуются в пропорциональные

синхронизатора, в него введены цифровые блоки измерения периода напряжения генератора и сети, цифроана- логовые преобразователи, вычитающий

2Q блок, компараторы, задатчики верхнего и нижнего допусков разности частот генератора и сети, задатчик угла опережения, причем выходы формирователей напряжения сети и генератора

постоянные напряжения U--и

Uji с помощью измерителей 20 и 21.

В простейшем случае измеритель может состоять из вьтрямителя, сглаживающего фильтра и выходного делителя напряжения.

88821 8

Напряжения Uj и U, подаются на входы второго вычитающего устройства 22, выходное напряжение U, которого пропорционально разности напря- 5 жений UjQ и и,. Нижний и верхний .пределы отклонения от U(.j, задаются задатчиками 23 и 24. Компаратор 25 формирует логическую 1, если ,„ U,,.-UreH - UAOH ; .ид,,(0,03-0,05)и,,,„, а компаратор 26 - когда Временная диаграмма работы компараторов дана на фиг. 6.

В предлагаемом синхронизаторе принято, что U,j О, когда иге„ U. В соответствии с этим задатчик

15

0

5

нижнего допуска разности напряжений Urou от и дает на выходе напряжение

64С ТИ

и отрицательной полярности, а задатчик верхнего допуска разности напряжений Ufg - напряжение U - положительной полярности.

Если выполняется условие

iU

24

ТО с выходов компараторов 25

0

5

0

и 26 логические I поступают на четвертый и пятый входы элемента И 30. Когда разность напряжений лежит ниже или выше заданных пределов, то работают элементы НЕ 27 или 28, а механизм изменения напряжения генератора 29 регулирует напряжение вц таким образом, чтобы оно вошло в пределы допуска.

Формула изобретения

1. Цифроаналоговый синхронизатор, содержащий формирователи напряжения сети и генератора, элементы НЕ,D - триггер, генератор пилообразного напряжения, выходную цепь включения генератора, вход которой подключен к выходу элемента И, и механизм изме- нения оборотов генератора, о т л и- чающийся тем, что, с целью

синхронизатора, в него введены цифровые блоки измерения периода напряжения генератора и сети, цифроана- логовые преобразователи, вычитающий

блок, компараторы, задатчики верхнего и нижнего допусков разности частот генератора и сети, задатчик угла опережения, причем выходы формирователей напряжения сети и генератора

подключены к входам цифровых блоков измерения периода соответственно сети и генератора и соответственно к входу генератора пилообразного напряжения и к С-входу D -триггера, выходы блоков измерения периода сети и генератора подключены через первый и второй цифроаналоговые преобразователи к прямому и инверсному входам вычитающего блока, своим выходом сое диненного с задатчиком угла опережения, с прямым входом первого компаратора и с инверсным входом второго компаратора, причем к инверсному выходу первого компаратора подключен задатчик нижнего допуска разности частот, а к прямому входу второго компаратора - задатчик верхнего допуска разности частот, выходы первого и второго компараторов соединены через элементы НЕ с механизмом изменения оборотов генератора и с первым и вторым входами элемента И, третий вход которого подключен к выходу Р -триггера, -входом соединенного с выходом третьего компаратора, первый выход которого подключен к генератору пилообразного напряжения, а второй - к выходу задатчик угла опережения,

2. Синхронизатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен генератором высокой частоты, а каждый из цифровых блоков измерения периода сети и генератора включает в себя делитель частоты на два на входе, прямым выходом соединенный с элементом И, а инверсным - с входом Перенос регистра на выходе, входы

lUf

«

f,73mC

1ШтС

5 882110

регистра через счетчик соединены с

выходом элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератора высокой частоты, вход Сброс счетчика соединен через элемент СБРОС с прямым выходом делителя частоты на два.

3, Синхронизатор по п,1, о т л и- чающийся тем, что, с целью улучшения качества переходного процесса синхронизатора, он снабжен измерителями напряжения генератора

и сети, задатчиками верхнего и нижнего допусков разности напряжения генератора и сети, вторым вычитающим блоком, четвертым и пятым компараторами, третьим и четвертым элементами НЕ и механизмом измене- ния напряжения генератора, причем четвертый и пятый йходы элемента И связаны с соответствующими выходами четвертого и пятого компараторов, к которым через третий и четвертьй элементы НЕ подключены входы механизма изменения напряжения генератора, при этом первые входы четвертого и пятого компараторов подключены к задатчикам нижнего и верхне- го допусков разности напряжения, а вторые входы - к выходу второго вычитающего блока, входы которого подключены к выходам измерителей напряжения генератора и сети.

Перенос 8 регистр

I J

/fW

.«

IPut.4

.Редактор С, Патрушева

Составитель К. Фотина

Техред И.Попович Корректор ;Л. Патай

Заказ 7819/54Тираж 641Подписное

ВНИИПИ Государствеиного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производствеино-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4