Устройство точной синхронизации Советский патент 1990 года по МПК H02J3/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для точной синхронизации и включения генераторов переменного тока на параллельную работу с сетью или другими генераторами.

Целью изобретения является повышение точности при одновременном повышении надежности и быстродействия,

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства точной синхронизации; на фиг. 2 - функциональная схема узла опережения; на фиг, 3 - функциональная схема узла контроля разности частот; на фиг. 4 - функциональная схема узла контроля разности напряжений; на фиг. 5 - функциональная схема узла подгонки частоты; на

фиг. 6 - функциональная схема узла включения; на фиг. 7 - диаграммы работы узла опережения.

Устройство 1 точной синхронизации (фиг. 1) содержит узлы опережения 2, контроля разности частот 3, контроля разности напряжений 4, подгонки частоты 5 и включения 6. На вход устрой- ,ства поступают напряжения одной из фаз сети Uc и генератора Ur, которые поступают на узлы опережения 2, контроля разности напряжений 4 и включения 6.

На выходы устройства Больше, Меньше поступают сигналы с выхода узла 5 подгонки частоты для увеличения и уменьшения числа оборотов генератора в режиме синхронизации его с

сд

о

4 ел

сетью. С выхода узла 6 включения на выход устройства поступает сигнал на включение генератора в сеть с заданным временем опережения, определяемым временем задержки срабатывания выключателя.

Узел 2 опережения (фиг. 2) содержит нуль-органы 7 и 8, на выходы которых поступает напряжение одной из фаз сети и генератора Последовательно с нуль-органом 7 соединены генератор 9 пилообразного напряжения, разделительная цепочка 10, устройство 11 выборки и хранения, фазочувст- вительчый усилитель 12, блоки 13 и 14 дифференцирования, сумматор и нуль-орган 15.

К входам сумматора подключены выходы фазочувствителыюго усилителя 12 и блоков 13 и 14 дифференцирования. Выход нуль-органа 8 соединен с управляющим входом устройства выборки и хранения, а управляющий вход фазо- чувствительного усилителя соединен с выходом блока определения знака скольжения узла 3 контроля разности частот

Узел 3 контроля разности частот (фиг. 3) содержит блок определения знака скольжения, выполненный в виде последовательно соединенных дифференцирующей цепи 16, порогового элемента 17 с гистерезисом и элемента НЕ 18 Вход блока определения знака скольжения соединен с выходом устройства N 1 выборки и хранения узла 2 опереже- ния (фиг. 2).

Кроме того, узел, контроля разности частот содержит блок определения Максимального скольжения, образованный последовательным соединением интегратора на операционном усилителе I9 и порогового элемента 20 с гистерезисом. На вход интегратора через формирователь узких импульсов, выполненный на дифференцирующей цепочке и диодах, поступает сигнал с вы- Кода порогового элемента 21, Кроме того, на вход интегратора через резистор поступает напряжение смеще- Ния U, В узел контроля разности частот входит также пороговый элемент 22. Входы пороговых элементов 21 Н 22 соединены с выходом фазочувстви- гельного усилителя 12 узла 2 опережения (фиг. 2).

Узел 4 контроля разности напряжений (фиг. 4) содержит два разнополяр- ных выпрямителя 23 и 24, подключае

,.

5

0

5

мых входами к фазам сети и генератора, а выходами - к входу суммирующего усилителя 25, выход которого соединен с входом порогового элемента 26 с зоной нечувствительности.

Узел 5 подгонки частоты (фиг. 5) содержит генератор 27 импульсов, вторую дифференцирующую цепь 28, синхронизируемый генератор 29 и логический элемент 30, к входам которого подключены выход генератора 27, выход синхронизируемого генератора 29, вход которого через вторую дифференцирующую цепь 28 соединен с вь-ходом поро- .гового элемента 21 узла 3 контроля разности частот (фиг. 3). К другим входам логического элемента 30 подключены выходы блока определения знака скольжения и блока определения максимального скольжения (фиг.З).

Узел 6 включения (фиг. 6) содержит выпрямитель 31, подключенный входом к одноименным фазам сети и генератора, и последовательно соединенные RC-фильтр 32, пороговый элемент 33, элемент И 34 и формирователь 35 импульса включения выключателя генератора. На другие входы элемента И поступают сигналы с выходов узлов опережения 2, контроля разности напряжений 4 и блока определения максимального скольжения узла 3 контроля разности частот.

Работа Узла опережения иллюстрируется диаграммами на фиг. 7, где представлены: 36 - напряжение одной из фаз сети Uc; 37 - импульсы с выхода нуль-органа /; 38 - напряжение одноименной фазы генератора Ur; 39 - импульсы с выхода нуль-органа 8; 40 - напряжение на выходе генератора 9 пилообразного напряжения; 41 - напряжение на выходе устройства 11 выборки и хранения; 42 - напряжение на выходе блока 13 дифференцирования; 43 - напряжение на выходе блока 14 дифференцирования; 44 - напряжение на выходе нуль-органа 15.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение сети 36 (фи, 7) поступает на вход нуль-органа 7, который формирует узкие импульсы в начале положительной полуволны напряжения 37. На вход нуль-органа 8 поступает напряжение 38 одноименной фазы генератора обратной полярности. На выходе нуль-органа 8 также Формируются узкие

импульсы 39. Импульсы 37 с частотной сети синхронизируют работу генератора 9 пилообразного напряжения. Напряжение 40 с выхода генератора У пило- / образного напряжения через разделительную цепочку 10, устраняющую постоянную составляющую напряжения 40, поступает на информационный вход устройства выборки и хранения, на управляющий вход которого поступают импульсы 39 с выхода нуль-органа 8.

При несовпадении частот сети и генератора относительный фазовый сдвиг между их напряжениями, а следовательно, и между напряжением генератора пилообразного напряжения и управляющими импульсами с выхода нуль- органа 8 линейно изменяется во времени, в результате чего на выходе устройства 11 выборки и хранения формируется линейно-ступенчатое напряжение 41. Напряжение 41 содержит всю необходимую информацию о характере процесса синхронизации. Величина напряжения 41 в каждый момент времени пропорциональна разности Лаз напряжений сети и генератора Prt скорость изменения напряжения 41 пропорциональна скольжению ) а вторая производная пропорциональна относительному ускорению Ј Јс Јг. Поскольку в зависимости от знака скольжения наклон кривой 41 может изменяться на противоположный, для правильной работы последующих устройств напряжение с выхода устройства 11 выборки и хранения поступает на информационный вход фазочувствитель- ного усилителя 12, на управляющий вход которого поступает пороговый сигнал (+S) с выхода блока определения знака скольжения, изменяющий коэффициент передачи усилителя 12 на противоположный при смене знака скольжения. Таким образом, на выходе фазочувствительного усилителя 12 независимо от знака скольжения напряжение имеет вид, представленный на диаграмме 41.

Величина напряжения на выходе блока Т 2 пропорциональна модулы относительного фазового сдвига сГ напряжений сети и генератора в начале текущего периода напряжения генератора:

Un-K5tf.(1)

С выхода блока 12 напряжение по- . ступает на вход блока 13 дифференцирования, на выходе которого формируется сигнал 42, пропорциональный величине скольжения

Ul3BV (2)

аналогичным образом На выходе блока 14 дифференцирования формируется сигнал 43, пропорциональный ускорению скольжения

U- -КеЈ,(3)

где К,К5,Кг --коэффициенты пропорциональности.

Сигналы U И т+ суммируются и поступают на вход нуль-органа 15.

На входе нуль-органа 15 происходит суммирование указанных напряжений, в результате чего на его выходе формируются импульсы 44, передний фронт которых опережает момент совпадения по фазе напряжений сети и генератора 0 на время ton. Приняв за начало отсчета момент времени, в который фазы сети и генератора совпадают, можно записать

(tfln)+KsS(tOP,)+K(ton)0. (4) 5 С другой стороны уравнение движения ротора-генератора в системе от-. счета, вращающегося с частотой сети, имеет вид:

30

r +st4-™.

(5)

Задачей устройства точной синхронизации является формирование импульса включения выключателя, имеющего запаздывание срабатывания t3(Att с таким опережением по отношению к моменту совпадения фаз, чтобы к мо-. менту замыкания выключателя сдвиг фаз был бы равен нулю. Таким образом, должно выполняться соотношение

.n;(6)

0,f(t,n)+Steo+4 -.(7)

Сравнивая выражения (.4) и (7), . - приходим к выводу, что для выполне- ния условия синфазного включения при заданном необходимо соответствующим образом выбрать коэффициенты суммирования напряжений на входе нуль-органа 15:

.3 К ten КЛ 2

(5J

Напряжение 41 с выхода устройства 11 выборки и хранения поступает в узел 3 контроля разности частот . (фиг. 3) на блок определения знака скольжения, выполненный в виде последовательного соединения дифференцирующей цепочки 16, порогового элес гистерезисом и элемента

мента 17 НЕ Т8.

При положительном скольжения ( напряжение на выходе блока 11 имеет вид 41 (фиг. 7) с крутым отрицательным перепадом. В результате на выходе дифференцирующей цепочки 16 формируется отрицательный импульс, переводящий элемент 17 в состояние О, а элемент 18 в состояние 1. При смене знака скольжения () перепад в кривой 41 становится положительным, на выходе дифференцирующей цепочки 16 формируется положительный

15

20

мпульс, который переводит элемент 17 состояние 1, а элемент 18 - в сЬстояние О.

Сигнал с выхода чувствительного силителя 12 (фиг. 2) поступает на

входы пороговых элементов 21 и 22„ ока фазовый сдвиг сР превышает некоторую величину дсР, определяемую порогом срабатывания элемента 22г на выходе последнего формируется уровень 25

О, который, поступая в узел включения (фиг. 6), блокирует формирование импульса включения с углами, большими д& .

Одновременно сигнал с выхода бло- JQ ка 12 поступает на пороговый элемент 21, который формирует передний фронт импульса в момент времени, соответствующий нулевому фазовому сдвигу 0. С выхоца блока 21 импульсы с частотой скольжения поступают через формирующую цепочку и диод на вход интегратора 19, куда также поступает напряжение смещения (-U). В результате на выходе интегратора формируется пи- , лообразное напряжение, размах которо- го меньше ширины петли гистерезиса элемента 20. Кроме переменной составляющей на выходе интегратора формируется постоянная составляющая, опре- , деляемая разностью средних значений токов на входе интегратора. При некотором значении скольжения S SMOIKC эти токи равны и постоянная составляющая на выходе интегратора не меняется во времени. Если (KC, то среднее значение положительного тока с выхода формирующей цепочки умень-

35

50

шается, средни выходной ток интегратора становится отрицательным и на его выходе постоянная составляющая напряжения увеличивается в положительном направлении. В результате амплитудное значение напряжения на

0

5

0

5

Q , ,

5

50

5

выходе интегратора достигает порога срабатывания элемента 20 и он переходит в состояние 1, Аналогичным образом, при S SMnKC на выходе элемента 20 формируется состояние О. Указанная Swo,Kc поступает в узел 6 включения (фиг. 6) и блокирует формирование импульса включения при больших скольжениях.

Напряжение сети и генератора одноименных фаз поступает на разнополяр- ные выпрямители 23 и 24 блока 4 контроля разности напряжений (фиг. 4.), а затем на суммирующий вход усилите- ,ля 25, а с его выхода на пороговый элемент 26 с зоной нечувствительности 26.

Если величина напряжений сети и генератора отличаются больше некото- рой заданной величины uU, то на выходе элемента 26 формируется уровень

О, который поступает в узел включения (фиг. 6) и блокирует формирование импульса включения.

Узел подгонки ч стоты (фиг. 5) работает следующим образом.

Генератор 27 формирует импульсы стабильной частоты и скважности, определяющие темп снижения или увеличения оборотов генератора при S SMMKc. В зависимости от знака скольжения указанные импульсы поступают на выход Больше или Меньше логического элемента 30. Кроме , на вход логического элемента 30 поступают импульсы синхронизированного генератора 29, запускаемого через дифференцирующую цепь 28 импульсами, формируемыми в нулевой фазе 0, с выхода элемента 21 (фиг. 3). Импульсы с выхода генератора 29 поступают на выход Больше, Меньше в зависимости от знака скольжения, при условии (XM.. Таким образом, в зоне малых скольжений осуществляется пропорционально-импульсное регулирование оборотов генератора. Если скольжение уменьшается ниже некоторой установи ленной величины , что может привести к затягиванию процесса синхронизации, генератор 29 формирует импульсы с собственной частотой генерации 8„.,„ , изменяя тем самым обороты мин

генератора и выводя его из зоны малых скольжений.

Логический элемент 30 реализует логическую функцию, обеспечивающую указанный алгоритм работы узла подгонки частоты: Y1 XsX3X1+X5XJXi;

| 3 4 t

Положим, что и S| SwrtKЈ, тогда .

Согласно (1) и (2) при этих значениях переменных Y,X1f , т.е. на выход Больше поступают сигналы генератора 27 и генератор увеличивает обороты.

156

При

H SI SMaKCX3

0;

, ,, т.е. на выход Меньше поступают импульсы генератора 27 и генератор уменьшает обороты.

В зоне допустимых скольжений, ког да (Kc , поэтому прохождение импульсов генератора 27 блокируется, а на выходы элементы 30 по-, ступают импульсы генератора 29 в зависимости от знака скольжения. Сигналы t ,ди,Д(Г, SMC)K(., поступающие на вход элемента И узла 6 включения (фиг. 6), разрешает прохождение импульсного сигнала t0h на включение выключателя, если разность напряжений, фаз и частот сети и генератора

-on

находятся в допустимых пределах, что соответствует уровню 1 для сигналов ди,, змыкс„

Для исключения срабатывания синхронизатора в случае его неисправности, когда разность фаз и частот генератора и сети велики, прохождение сигнала ton на выход элемента И 34 блокируется нулевым уровнем сигнала с выхода элемента 33. Напряжение биений, поступающее на вход выпрямителя 31 после выпрямления и фильтрации RC-фильтром 32 преобразуется в пульсирующее напряжение, которое поступает на вход порогового элемента 33. Когда частоты сети и генератора сближаются, период биений увеличивается, глубина пульсаций возрастает, в результате чего на выходе порогового элемента 33 появляются импульсы, разрешающие прохождение сигнала ton на выход синхронизатора.

ф

рмула изобретения JQ

1. Устройство точной синхронизации, содержащее узлы опережения, контроля разности напряжений, подгонки частоты и узел включения, содержащий последовательно соединенные мно- говходовой элемент И и формирова- . тель импульса включения выключателя генератора, причем, входы элементы И

10

1145Ю

связаны с выходами узлов опережения, контроля разности напряжений, контроля разности частот, отличающееся тем, что, с целью повышения точности при одновременном повьг- шении надежности и быстродействия, ysej. опережения выполнен в виде последовательно соединенных первого нуль-органа, генератора пилообразного напряжения, разделительной цепочки, устройства выборки и хранения, фаэо- чувствительного усилителя, первого и второго блоков дифференцирования, сумматора и второго нуль-органа, причем к входам сумматора подключены выход фазочувствительного усилителя и выходы первого и второго блоков дифференцирования, кроме того, узел опережения снабжен третьим нуль-органом, выход которого подключен к управляющему входу устройства выборки и хранения, а входы первого и третьего нуль-органов предназначены для 25 подключения к одной из фаз соответственно сети и генератора, причем узел контроля разности частот выполнен в виде первого порогового элемен20

0

5

0

Q

5

та, блока определения знака скольжения, образованного последовательным соединением первой дифференцирующей цепочки первого порогового элемента с гистерезисом и элемента НЕ и блока определения максимального скольжения, образованного последовательным соединением второго порогового элемента, формирователя импульсов, интегратора с суммирующим входом и второго порогового элемента с гистерезисом, причем к второму суммирующему входу интегратора через резистор подключен источник напряжения смещения, вход блока определения знака скольжения ;. соединен с выходом устройства выборки и хранения узла опережения, вход блока определения максимального скольжения и вход первого порогового элемента соединены с выходом фазочув- ствительного усилителя узла опережения, управляющий вход фагочувствитель- ного усилителя соединен с выходом бло ка определения знака скольжения, при этом выход первого порогового элемента и второго порогового элемента с гистерезисом соединены с входами мно- говходового элемента И узла включения, кроме того, узел подгонки частоты выполнен в виде генератора импульсов, второй дифференцирующей

11156

цепочки, синхронизируемого генератора импульсов и пятивходового логического элемента с двумя выходами, реализующего логическую функцию

Y XjXjX XjX ;

У 7. 1+Х3 Х4Х 2

причем вход Х1 логического элемента соединен с выходом генератора им- пульсов, вход Х„ логического элемента соединен с выходом синхронизируемого генератора импульсов, вход которого через вторую дифференцирующую цепочку соединен с выходом второго порогового элемента блока определения максимального скольжения в узле контроля разности частот, вход X. лог,и ческого элемента соединен с выходом блока определения знака скольжения узла контроля разности частот, вход Xd логического элемента соединен с

512

выходом первого порогового элемента с гистерезисом блока определения знака скольжения в узле контроля разности частот, вход Х. логического элемента соединен с выходом второго порогового элемента с гистерезисом блока определения максимального скольже ния узла контроля частот, выход Y, логического элемента образует выход Больше устройства точной синхронизации, а выход Y2 - выход Меньше. 2. Устройство по п. отличающееся тем, что, с целью дополнительного повышения надежности, узел включения снабжен выпрямителем, RC-фильтром и третьим пороговым элементом, причем вход выпрямителя предназначен для подключения к одноименным фазам сети и генератора, а выход через RC-фильтр и пороговый элемент связан с входом элемента Ив

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - повышение точности при одновременном повышении надежности. Устройство формирует сигнал на включение выключателя генератора с учетом времени опережения в зависимости от разности фаз напряжений сети и генератора, а также от величины скольжения и его ускорения. При величинах скольжения, больших допустимого, включение выключателя блокируется. Подгонка частоты осуществляется в зависимости от знака скольжения и его величины. При малых скольжениях генератор выводится из зоны малых скольжений. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Риг. 1

Pas.3

Риг. 4

Риг. 5

36(UC)

J7/H01) 33ivri

331H03)

м yWWWWWVVAf

W AA/WWWҐW1

i i i i i i i i i i i i i

т

S I I t I

w(rmt) v(m)

W6A1)

WBAZ) м(ног)

Фиг. 6

т