Устройство для автоматической синхронизации генераторов переменного тока Советский патент 1981 года по МПК H02J3/42 

1

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для синхронизаиии генераторов переменного тока например авиационных, а точнее в тех случаях, когда требуется автоматическое сведение частот и точная синхронизация .

Известны устройства для автоматической синхронизации генераторов переменного.тока, работа которых основана на выделении напряжения биений Til.

Однако такие устройства недостаточно надежны и точны. Кроме того, большие габариты и вес таких устройств ограничрГвают их применение.

Известны также импульсные синхронизаторы, осуществляющие преобразования разности фаз напряжений генератора и сети в напряжение с помощью фазовых детекторов Г2 .

Однако применение таких синхронизаторов в авиационном электрооборудовании ограничено из-за их узкого температурного диапазона работы, так как большинство элементов синхронизатора работают в линейном режиме. Кроме того, габариты -и вес таких устройств достаточно велики

из-за наличия мощных фильтров на выходе детекторов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для автоматической синхронизации генераторов переменного тока, содержащее входной блок, в состав которого входят формирователи прямоугольных импульсов, канал урав10нивания частот с триггером на выходе и канал, формирующий команду на включение выключателя генератора с триггером на выходе Гз1 .

Известное устройство имеет ряд

15 недостатков, ограничивающих их область применения, а именно: устройство может применяться только для синхронизации трехфазных генераторов, угол опережения его фиксирован, кратен 30° и не может быть проигзволь

20 но изменен.

Кроме того при отношении частот генератора и сети равном иррациональ

25 ному числу работа синхронизатора нарушается, так как совпадения фронтов импульсов напряжений генератора и сети происходить н,е будет. Помехоустойчивость устройства сравнитель30но низкая из-за наличия в схеме

преобразователей сигналов в короткий импульс.

Цель изобретения - упрощение устройства и повышение его надежности и точности.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем входной блок, в- состав которого входят формировате ли прямоугольных импульсов, канал уравнивания частот с триггером на выходе и кансш, формирующий команду на включение выключателя генератора с триггером на выходе, входной блок снабжен схемой антисовпадения, в канале уравнивания частот в качестве триггера на выходе использован 3 Ктриггер, а канал снабжен дополнительным 3К-триггером, в канале, формирующем команду на включение выключателя в качестве триггера на выходе использован DV-триггер, тактируемый фронтом, а канал снабжен двухступенчатым одновиОратором и регистром с последовательно-параллельной записью причем входы схемы антисовпадения и DK, входы упомянутых ;j К-триггеров / подключены к выходам формирователей импульсов, выход cxeNffif антисовпадения подключен, к тактирующим входам 3К-триггеров, OV-триггера и регистра и к входу одновибратора, при этом выход второй ступени одновибратора подключен к информационному входу регистра, а выход первой ступени к информационному входу OV-триггера, разрешающий вход которого соединен с выходом последнего разряда регистра.

Кроме того упомянутый регистр выполнен в виде последовательно соединенных D-триггеров, тактируемых фронтом, тактирующие входы которых объединены, а установочные входы триггеров последующих разрядов подключены к выходу триггера предыдущего, разряда.

На фиг. 1 представлена функционалная схема устройства; на фиг. 2 диаграмма переходов регистра; на фиг. 3 - вариант выполнения указанного регистра; на фиг. 4 - диаграммы сигналов в различных точках схемы, обеспечивающей уравнивание частот при синхронизации; на фиг. 5 диaгpaм /и сигналов в разлкчньт точках схемы, определяющей момент включения контактора параллельной работы; на фиг. 6 - диаграмма сигналов, поясняющая принцип работы синхронизатора.

Напряжения генератора и сети.с одноименных фаз поступают на входы формирователей 1 и 2 импульсов соответственно (фиг.1). Выходы указанных формирователей подключены к входам схемы 3 антисовпадения и входам 3 и К триггеров 4 и 5.

Тактирующие входы 3 К-триггеров 4 и 5 подключены к выходу схемы 3,

куда также подключены тактирующие входы регистра 6 и 0 /-триггера 7, а также вход двухступенчатого одновибратора 8, который показан в виде последовательно соединенных одновибраторов 9 и 10.

Выход одновибратора 10 подключен к информационному входу регистра б, а выход одновибратора 9 - к информационному входу DV-триггера 7, причем его разрещающий вход V соединен с выходом последнего разряда регист,ра 6.

Выход триггера 7 - выход устройства , управляющий включением контактора параллельной работы. Выходы триггера 5 - выходы устройства, обеспечивающего сведение частот при синхронизации.

Схема 3 антисовпадения выполняет функцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ..

Триггеры 4 и 5 - ЗК-триггеры, тактируемые фронтом. Сигналы на выходах таких триггеров записываются перепадом 1-0 ,на входе Ср, ричем если выполнялось условие GСр 1, то на выходе запишется 1, если выполнялось условие К-Со 1 - на . выход запишется О.

Триггер 7 - DV-триггер, тактируемый фронтом. Сигнал на выходе такого триггера повторяет сигнал на его информационном- входе О в момент изменения сигнала с 1 на О на его тактирующем входе Ср, если имеется сигнал на его разрешающем входе V. При V О триггер сохраняет свое состояние неизменным.

Регистр 6 должен обеспечивать последовательную запись 1 и параллельную запись О.

На фиг. 2 состояния регистра показаны кружкг1ми. Около каждого состояния записаны состояния выходов на различных разрядах регистра (младшие разряды записаны слева). Переход из одного состояния в другое показан дугами со стрелками, соединяющими кружки. Над каждой стрелкой записано значение входов, при которы происходит переход из одного состояния в другое. Регистр содержит два входа информационный О и тактируквдий Ср, поэтому над дугами записываются значения этих входов:

В- dCp означает, что переход происходит при изменении сигнала на Ср с 1 на О, когда на входе о сигнал равен 1 ,

&dCp означает, что переход происходит при изменении сигнала на Ср с 1 на О, когда на входе D сигнал равен О.

При появлении на входе Ср регистра перепада 1-0 происходит запись 1 в следующий разряд регистра, если в этот момент времени сигнал на D 1. В противном случае при наличии сигнала О на входе о регистра происходит его обнуление, т.е. сигн лы со всех выходов снимаются. Сигнал на последнем разряде N регистра появится только в том случае, если сигнал на входе Ср изменится с 1 на О не менее N раз в моменты времени, когда на входе о сигнал равен 1. N-разрядный регистр (фиг.5) содерхсит N триггеров 11, тактируемых ФР.ОНТОМ, т.е. перепадем 1-0 на вход Ср, включенных последовательно. Все тактирующие входы D-триггеров объед нены, а установочные входы каждого, триггера последующего разряда соеди нены с выходом триггера предыдущего разряда. Если в момент изменения 1-0. на С на входе D первого триггера сигнал отсутствует, т.е. равен О, то этот сигнал устанавливает следующий триг гер в состояние О на прямом выход В свою очередь этот триггер устанав ливает последующий триггер в состоя ние О на прямом выходе и т.д. Если в момент изменения 1-0 на Ср на входе О первого триггера сигнал равен 1, 1 записывается на выхо первого триггера и разрешает работу второго. Следующая единица записывается во второй разряд при перепаде 1-0 и т.д. Если в какой-то момент времени при перепаде 1-0 на входе Ср на вхо де D сигнал становится равен О, происходит последовательное обнуление всех разрядов регистра. Работа устройства в режиме уравн вания частот. На фиг. 4 показаны диаграммы сигналов в различных точках схемы при частоте генератора ни же (cs) и выше {S) частоты сети.Из фиг. 4 видно, что сигнал на выходе триггера 4 изменяет свое зн ачение на .каждый импульс, приходя щий от схемы 3. При этом, если на его входе d сигнал равен 1, на прям выходе устанавливается 1. в противном случае на выходе устанавливается О. Сигнал на выходе триггера 5 может измениться только при втором импульсе, так как по первому импульсу ему мешает измениться отсу ствие сигнала на выходе триггера 4. Но два импульса подряд, которые не изменят состояние триггера 4, могут появиться только в том случае, когда за время пояупериода напряжения генератора уложится полпериода напряжения сети (или наоборот); Этот случай пониженной или повышенной частоте генератора. Следовательно, изменение состояния триггера 5 происходит в моменты времени, когда осуществится указанное событие, т.е. один раз за период скольжения. В остальные моменты времени триггер 5 сохраняет свое состояние, так как к моменту изменения 1-0 сигнала на его входе Ср на обоих входах триггера 3 и К сигналы равны О (сигналы с выходов триггера 4 и блоков 1 и 2 соединены на входах триггера 5. Работа устройства при-синхронизации. Сигнал на выходе 3 антисовпадения имеет вид импульсов, дли- тельность которых 6.t сначала увеличивается (до углов сдвига фаз меньше 180), а затем уменьшается, становясь равной нулю при совпадении фаз напряжений генератора и сети (фиг.5). Передние фронты этих импульсов запускают одновибратор 8, который формирует временные ворота. Ширина ворот определяется длительностью импульсов t на выходе одновибратора 10, а интервал времени от переднего фронта импульсов схемы 3 до начала временных ворот определяется длительностью t -I одновибратора 9. Регистр б производит опенку взаимного положения заднего фронта импульса с выхода схемы 3 и временных ворот, а также производит подсчет числа этих импульсов, т.е. регистр 6 выполняет функцию схемы сравнения длительностей импульсов. При малой разности фаз между напряжениями генератора и сети длительность импульсов fi,t меньше длительности импульсов одновибратора 9, т.е. it t, поэтому задний фронт импульсов со схемы 3 приходит в мом/ нт времени, когда на выходе одновибратора 10 сигнал отсутствует, но имеется сигнал на выходе одг овибратора 9. Это приводит к тому, что сигнал на выходе регистра 6 отсутствует. Поэтому отсутствует сигнал на выходе триггера 7. Такое положение имеет место до тех- пор, пока угол между векторами напряжений меньше угла опережения определяемого временем t. При больших углах между векторами напряжений задний фронт импульсов схемы 3 приходит в моменты времени, когда сигнал на выходе одновибратора 10 имеется. Начинается счет импульсов регистром 6. Такое положение имеет место до тех пор, пока угол между векторг ми больше угла опережения оп. I но меньше некоторого угла иам I определяемого временем t + t,j. При угле, большем , задний фронтимпульсов со схемы 3 приходит в моменты времени, когда сигнал на выходе одновибратора 10 равен нулю, поэтому сигнал на выходе регистра 6 также равен нулю. При дальнейшем увеличении угла между векторами напряжений Ч 13Г-Чадм задний фронт импульсов схемы 3 вновь начинает попадать во временные ворота, формируемые одновибратором 8. В соответствии с этим регистр 6 начинает счет имлульсов. Счет прекратится , ко1да угол между векторами напряжений станет больше 2П- опЕсли за время счета регистр 6 не успеет переполниться, в момент времени, когда 27Г- , триггер 7 остается в исходном состоянии, так как к моменту снятия импульса на выходе блока 3 сигнала на выходе регистра 6 нет. Этот случай соответствует частоте скольжения большей допустимой.

Если за время счета регистр б переполнится, в момент времени, когда 2Jr-(}f, , задний фронт импульса со схемы 3 совпадает с наличием сигналов на выходах одновибратора 9 и регистра 6. В результате этог 1 запишется на выход триггера 7, а регистр 6 обнулится, произойдет включение контактора параллельной работы.

На фиг. б показана зависимость длительности импульсов на выходе схемы 3 от времени при частоте скольжения, больше допустимой, и частоте скольжения, меньше допустимой.

До момента времени t изменение сигнала 1-0 на выходе схемы 3 происходит в моменты, времени, когда на Jвыxoдe одновибратора 10 сигнал равен О. Поэтому сигнал на выходе регистра б отсутствует.

От момента времени t до tj регистр б начинает счет, однако в момеит времени t срабатывания триггера 7 произойти не может, так как в моменты времени изменения сигнала 1-0 на схеме 3 сигнал на информационном входе триггера равен О (сигнал на выходе одновибратора 9 равен 0).

От момента t г да t происходит сброс регистра б, так как на этом интернсше фронт импульсов схемы 3 не совпадает с временными воротами.

От момента t до 1д вновь начинается счет импульсов регистром б. Так как частота скольжения больше допустимой, за интервал времени регистр переполниться не успевает и в момент времени t происходит его обнуление.

Если частота скольжения меньше допустимой, в момент времени t происходит переполнение регистра б и потому в момент времени t происходит срабатывание синхронизатора, т.е. появляется 1 на выходе триггера 7.

Для определения параметров одновибраторов 9 и 10, а также параметров регистра б рассмотрим работу схемы более подробно. Обозначим напряжение, частота которого ниже,

через

и sinu) t , (1 ) а напряжение, частота которого выше . через

и и sinSi t(2)

Разность частот, равная частоте скольжения, определяется по

&. г iJ-OJ.

(S)

Моменты времени t (фиг.5) определяются корнями уравнений

т.е.

О, ±1,...())

Отсюда длительность импульсов на выходе схемл 3 равна

-(-- Определим значение фаз одного напряжения в момент нуля другого. Из уравнений (1), (2 и (4) получаем

,+-1,1а.:. (fo)

Отсюда угол сдвига фаз векторами напряжений равен

(.0142;

x(i - и

(т)

Если угол опережения задран в электрических градусах Чоп t .

оп оп

Иэ уравнений (7) и (8) находим значение k, при котором происходит аключение контактора

К (9)

(-i-)(

где 3 ...С - ближайшее целое большое

число.

Счет импульсов регистром б начинается за N импульсов до этого момента времени, т.е. при

Чзм ЧКА+ . (10)

Следовательно, разность фаз напряжений в момент начала счета определяется из уравнений (10) и (7)

,«-() (-)- (И)

Длительность импульсов на выходе схемы 3 а момент начала счета найдена из уравнений (5) и (10)

Hw(VA-.K-ar- (2

а в момент включения контактора

лЧ,,,1(-). (13)

Отсюда определяется длительность импульсоа одновибратора 10

..ЧlIГ-4- - - f- () Длительность импульсов первого о новибратора 9 определяется из уравнений (5), (7) и (10) t МО 1- ,„жО 5 Число импульсов, переполняющихрегистр 6, выбирается исходя из тре буемой точности частоты скольжения при включении. Погрешность частоты включения равна единице младшего ра ряда регистра, т.е. . Предлагаемое устройство компактн и надежно. Точность отработки .угла опережения может быть получена не хуже ±2%, а частоты скольжения при включении - 5%. Формула изобретения Устройство для автоматической синхронизации генераторов переменно го тока, содержащее входной блок, в состав которого входят формирователи прямоугольных импульсов, канал уравнения частот с триггером на выходе и канал, формирующий команду на включение выключателя генератора с триггером на выходе, отлича щ .е е. с я тем, что, с целью упрощения. устройства, повышения его надежности и трчности, входной блок снабжен схемой антисовпадения, в ка нале уравнивания частот в качестве триггера на выходе использован 3 Ктриггер, а канал снабжен дополнител ным О К-триггером, в канале,.формиру щем команду на включение выключателя в качестве триггера на выходе использован DV-триггер, тактируемый фронтом, а канал снабжен двухступенчатым одновибратором и регистром с последовательно-параллельной записью, причем входы схемы антисовпадения и ЭК, входы упомянутых 3 К-триггеров подключены к выходам формирователей импульсов, выход схемы ан-тисовпадения подключен к тактирующим входам 3 К-триггеров, регистра и DV-триггара и к входу одновибратора, при этом выход второй ступени одновибратора подключен к информаийонноглу входу регистра, а выход первой ступени к информационному входу DV-триггера, разрешающий вход которого соединен с выходом последнего разряда регистра. . 2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что регистр выполнен в виде последовательно соединенных О-триггеров, тактируемых фронтом, такт ируимцие входы которых объединены, а установочные входы триггеров последующих разрядов подключены к выходу триггера предыдущего разрядч1. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР №441628, кл. Н 02 J 3/42, 1971. 2.Гринштейн В.И., Ермолин Л.П. и Мильман М.В. Судовые бесконтактные и устройства защиты и управлеия. Л., Судостроение, 1971, с. 81-101. 3.Авторское свидетельство СССР 438080, кл. Н 02 J 3/42, 1971.

00... 0 ...).4/cp 1f4.-rfCp

11 ff.f Л-dCp

Ve

е.i tsi e

« i a i -S a

tS