Частотно-фазовое реле

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве частотно-фазового разностного реле, контролирующего частоту и фазу напряжения генератора относительно частоты и фазы напряжения сети. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения контроля частоты и фазы напряжения генератора относительно частоты и фазы напряжения сети. Для этого частотно-фазовое реле содержит три исполнительных элемента, четыре компаратора, три элемента И, два формирователя коротких импульсов по переднему фронту, расширитель импульсов, два измерителя частоты, два измерителя амплитуды, перемножитель, блок деления, умножитель на постоянный коэффициент, алгебраический сумматор, два инвертора, при этом измерители частоты сети и генератора преобразуют сигналы сети и генератора в соответствии с математическими выражениями: U₀=A₀/f₀, U₁=A₁/f₁, где U₀ - сигнал на выходе измерителя частоты сети, U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты генератора, f₀ - частота сети, f₁ - частота генератора, А₀, А₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам напряжений сети и генератора, причем измерители амплитуды сети и генератора преобразуют сигналы сети и генератора в величины, пропорциональные их амплитудам и равные масштабным коэффициентам А₀ и А₁ соответственно, длительность импульсов, формируемых первым и вторым формирователями коротких импульсов по переднему фронту, пропорциональна допустимому значению рассогласования фаз напряжений сети и генератора, а длительность импульсов, формируемых расширителем импульсов, не менее периода напряжения генератора и периода напряжения сети. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве частотно-фазового разностного реле, контролирующего частоту и фазу напряжения генератора относительно частоты и фазы напряжения сети.

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

Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве частотно-фазового реле.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, содержащее последовательно соединенные разделительный трансформатор, частотный фильтр, первый частотно-зависимый элемент, первый пороговый блок, элемент ЗАПРЕТ, расширитель импульсов, усилитель и исполнительный элемент, второй частотно-зависимый элемент, вход которого соединен с выходом частотного фильтра, а выход - через ключ соединен со вторым входом первого порогового блока, последовательно соединенные делитель напряжения, вход которого соединен с выходом частотного фильтра, второй пороговый блок и дифференцирующий элемент, выход которого соединен со вторым входом дифференцирующего элемента, а также пусковой элемент, вход которого соединен с выходом разделительного трансформатора, а выход - соединен со вторым входом расширителя импульсов [2].

Недостатком наиболее близкого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно одновременно может работать либо как реле понижения частоты, либо как реле повышения частоты и не позволяет контролировать соответствие частоты и фазы внешнего генератора относительно частоты и фазы сети.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения контроля частоты и фазы напряжения генератора относительно частоты и фазы напряжения сети.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее первый и второй компараторы, блок деления и первый исполнительный элемент, введены измеритель амплитуды генератора, измеритель амплитуды сети, алгебраический сумматор, умножитель на постоянный коэффициент, перемножитель, первый и второй инверторы, третий и четвертый компараторы, второй и третий исполнительные элементы, первый, второй и третий элементы И, первый и второй формирователи импульсов по переднему фронту, измеритель частоты сети, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды сети и является входом сети частотно-фазового реле, а выход соединен с входом умножителя на постоянный коэффициент и с входом сложения алгебраического сумматора, измеритель частоты генератора, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды генератора, а выход соединен с входом делимого блока деления, вход делителя которого соединен с выходом измерителя амплитуды генератора, а выход соединен с первым входом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом измерителя амплитуды сети, а выход соединен с вычитающим входом алгебраического сумматора, выход которого соединен с первыми входами первого и второго компараторов, второй вход первого компаратора соединен с выходом умножителя на постоянный коэффициент и с входом первого инвертора, выход “больше” первого компаратора соединен с входом первого исполнительного элемента, второй вход второго компаратора соединен с выходом первого инвертора, а выход “меньше” соединен с входом второго исполнительного элемента, при этом вход первого формирователя импульса по переднему фронту соединен с выходом третьего компаратора, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды генератора, являющегося входом генератора частотно-фазового реле, вход второго формирователя импульса по переднему фронту соединен с выходом четвертого компаратора, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды сети, первый и второй входы второго элемента И соединены с выходами соответственно первого и второго формирователей импульсов по переднему фронту, а выход соединен с входом расширителя импульсов, выход которого соединен с входом второго инвертора, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый и второй входы которого соединены с выходом “меньше” первого компаратора и с выходом “больше” второго компаратора соответственно, выход третьего элемента И соединен с входом третьего исполнительного элемента, измерители частоты сети и генератора преобразуют сигналы сети и генератора в соответствии с математическими выражениями:

U₀=A₀/f₀, U₁=A₁/f₁,

где U₀ - сигнал на выходе измерителя частоты сети,

U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты генератора,

f₀ - частота сети,

f₁ - частота генератора,

A₀, A₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам напряжений сети и генератора, причем измерители амплитуды сети и генератора преобразуют сигналы сети и генератора в величины, пропорциональные их амплитудам и равные масштабным коэффициентам A₀ и A₁ соответственно, длительность импульсов, формируемых первым и вторым формирователями импульсов по переднему фронту, пропорциональна допустимому значению рассогласования фаз напряжений сети и генератора, а длительность импульсов, формируемых расширителем импульсов, не менее периода напряжения генератора и периода напряжения сети.

На фиг.1 представлена электрическая структурная схема частотно-фазового реле, на фиг.2 - измерителя частоты, на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу частотно-фазового реле.

Частотно-фазовое реле (фиг.1) содержит первый 1 и второй 2 компараторы, блок 3 деления, первый исполнительный элемент 4, измеритель 5 амплитуды генератора, измеритель 6 амплитуды сети, алгебраический сумматор 7, умножитель 8 на постоянный коэффициент, первый 9 и второй 10 инверторы, третий 11 и четвертый 12 компараторы, второй 13 и третий 14 исполнительные элементы, первый 15, второй 16 и третий 17 элементы И, первый 18 и второй 19 формирователи импульсов по переднему фронту, измеритель 20 частоты сети, вход которого соединен с входом измерителя 6 амплитуды сети и является входом напряжения сети частотно-фазового реле, а выход соединен с входом умножителя 8 на постоянный коэффициент и с входом сложения алгебраического сумматора 7, измеритель 21 частоты генератора, вход которого соединен с входом измерителя 5 амплитуды генератора, а выход соединен с входом делимого блока 3 деления, вход делителя которого соединен с выходом измерителя амплитуды 5 генератора, а выход соединен с первым входом перемножителя 22, второй вход которого соединен с выходом измерителя 6 амплитуды сети, а выход соединен с вычитающим входом алгебраического сумматора 7, выход которого соединен с первыми входами первого 1 и второго 2 компараторов, второй вход первого компаратора 1 соединен с выходом умножителя 8 на постоянный коэффициент и с входом первого инвертора 9, а выход “больше” соединен с входом первого исполнительного элемента 4. Второй вход второго компаратора 2 соединен с выходом первого инвертора 9, а выход “меньше” соединен с входом второго исполнительного элемента 13. Вход первого формирователя 18 импульса по переднему фронту соединен с выходом третьего компаратора 11, вход которого соединен с входом измерителя 5 амплитуды генератора, вход второго формирователя 19 импульса по переднему фронту соединен с выходом четвертого компаратора 12, вход которого соединен с входом измерителя 6 амплитуды сети, первый и второй входы второго элемента И 16 соединены с выходами соответственно первого 18 и второго 19 формирователей импульсов по переднему фронту, а выход соединен с входом расширителя 25 импульсов, выход которого соединен с входом второго инвертора 10, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И 17, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И 15, первый и второй входы которого соединены с выходом “меньше” первого компаратора 1 и с выходом “больше” второго компаратора 10 соответственно, а выход первого элемента И 15 соединен с вторым входом третьего элемента И 17, выход которого соединен со входом третьего исполнительного элемента 14.

Исполнительные элементы 4, 13 и 14 могут быть выполнены в виде обмоток реле с замыкающими или размыкающими контактами. Формирователи 18 и 19 вырабатывают короткий импульс при перепаде их входного сигнала с нижнего уровня на верхний.

Измерители частоты сети 20 и генератора 21 преобразуют сигналы сети и генератора в соответствии с математическими выражениями:

U₀=A₀/f₀, U₁=A₁/f₁,

где U₀ - сигнал на выходе измерителя частоты сети,

U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты генератора,

f₀ - частота сети,

f₁ - частота генератора,

A₀, A₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам напряжений сети и генератора соответственно.

Измерители амплитуды сети 6 и генератора 5 преобразуют сигналы сети и генератора в величины, пропорциональные их амплитудам и равные масштабным коэффициентам А₀ и A₁ соответственно.

Длительность импульсов, формируемых первым 18 и вторым 19 формирователями импульсов по переднему фронту, пропорциональна допустимому значению рассогласования фаз напряжений сети и генератора, а длительность импульсов, формируемых расширителем 25 импульсов, не менее периода напряжения генератора и периода напряжения сети.

Остальные блоки устройства являются стандартными блоками электротехники. Цепи питания блоков на чертеже опущены как несущественные.

Измерители 20 и 21 частоты (фиг.2) могут быть выполнены в виде усилителя 23, в выходной цепи которого включен резонансный контур 24, настроенный таким образом, чтобы номинальные значения входных частот приходили на середину линейной части ветви (спада) его частотной характеристики. В этом случае выходное напряжение измерителя будет обратно пропорционально частоте его входного сигнала.

На фиг.3 представлены сигналы на выходе четвертого компаратора 12 (фиг.3,а) и на выходе третьего компаратора 11 (фиг.3,б,в,г). Заштрихованные части соответствуют длительности и временному положению импульсов, вырабатываемых формирователями, включенных на выходах соответствующих компараторов.

Частотно-фазовое реле работает следующим образом.

При включении реле на выходе измерителя 20 формируется сигнал U₀=A₀/f₀, величина которого обратно пропорциональна частоте напряжения сети 1/f₀, а на выходе измерителя 21 - сигнал U₁=A₁/f₁, обратно пропорциональный частоте генератора f₁. Одновременно с этим, измеритель 6 вырабатывает сигнал, пропорциональный A₀, а измеритель 5 - сигнал, пропорциональный амплитуде A₁. В этом случае на выходе алгебраического сумматора 7 формируется относительная величина разности частот A₀/f₀-A₁ A₀/A₁f₁ = А₀(f₁-f₀)/f₀·f₁ = A₀(f₁-f₀)/f²₀, т.к. f₀=f₁.

Кроме того, сигнал с выхода измерителя 1 умножается в умножителе 2 на малый коэффициент К, определяющий допустимое отклонение частоты синхронизируемого сигнала от входного. Тогда в первом компараторе 1 сравниваются величины А₀(f₁-f₀)/f²₀ и A₀K/f₀, а во втором компараторе 2 сравниваются величины A₀(f₁-f₀)/f²₀ и - A₀K/f₀, поскольку на его вход поступает инвертированное первым инвертором 9 значение сигнала с выхода умножителя 8.

Первый исполнительный элемент 4 сработает, когда частота генератора f₁ превысит допустимое отклонение от частоты сети f_o в большую сторону на относительную величину, задаваемую коэффициентом К, а второй исполнительный элемент 13 - когда частота входного сигнала недопустимо отклонится в меньшую сторону. Если же частота генератора будет совпадать с частотой сети или отклоняться от нее в допустимых пределах, то на выходе первого элемента И 15 будет сформирован сигнал логической единицы, разрешающий производить подстройку фазы напряжения генератора к фазе напряжения сети. Это будет происходить при недопустимом рассогласовании фаз с помощью третьего исполнительного элемента 14, если на него будет поступать сигнал логической единицы с выхода третьего элемента И 17. Формирование такого сигнала или сигнала логического нуля производится следующим образом.

На вход четвертого компаратора 12 (с нулевым пороговым уровнем) поступает напряжение сети, а на вход третьего компаратора 11 (также с нулевым пороговым уровнем) - напряжение генератора, поэтому на выходе четвертого компаратора 12 формируется последовательность прямоугольных импульсов (фиг.3,а), длительность которых равна половине периода напряжения сети, а на выходе третьего компаратора 11 формируется последовательность прямоугольных импульсов (фиг.3,б,в,г), длительность которых равна половине периода напряжения генератора. Первый 18 и второй 19 формирователи вырабатывают короткие импульсы, длительность которых пропорциональна допустимому значению рассогласования фаз входных сигналов (заштрихованные части сигналов на фиг.3).

При совпадении временных положений импульсов, например на фиг.3,а и фиг.3,б, на выходе второго элемента И 16 формируется импульс, который расширяется расширителем 25, но преобразуется в уровень логического нуля вторым инвертором 10. Поэтому даже при наличии уровня логической единицы на выходе первого элемента И 15 третий исполнительный элемент 14 не срабатывает.

При сдвиге фазы напряжения генератора относительно фазы напряжения сети более допустимого предела, задаваемого длительностью импульсов, формируемых на выходах первого 18 и второго 19 формирователей импульса по переднему фронту, импульсы с выхода второго формирователя 19 перестают совпадать во времени с импульсами, формируемыми на выходе первого формирователя 18, поэтому на выходе второго элемента И 16 не формируется соответствующего импульса совпадения и на выходе расширителя 25 будет наблюдаться уровень логического нуля, который инвертируется вторым инвертором 10. Поэтому при наличии уровня логической единицы на выходе первого элемента И 15, что сигнализирует о достаточной близости частот напряжений сети и генератора, на выходе третьего элемента И 17 формируется уровень логической единицы, что, в свою очередь, приводит к срабатыванию третьего исполнительного элемента 14.

Таким образом, предложенное устройство обладает более широкими функциональными возможностями, поскольку оно вырабатывает не только сигнал, характеризующий наличие сигналов сети и генератора, но и вырабатывает сигнал недопустимого рассогласования фаз напряжений генератора и сети при определении близости их частот.

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, с.390, рис.35.10.

2. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991, с.122, рис.3.29 (прототип).

Формула изобретения

Частотно-фазовое реле, содержащее первый и второй компараторы, блок деления и первый исполнительный элемент, отличающееся тем, что введены измеритель амплитуды генератора, измеритель амплитуды сети, алгебраический сумматор, умножитель на постоянный коэффициент, перемножитель, первый и второй инверторы, третий и четвертый компараторы, второй и третий исполнительные элементы, первый, второй и третий элементы И, первый и второй формирователи коротких импульсов по переднему фронту, измеритель частоты сети, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды сети и является входом сети частотно-фазового реле, а выход соединен с входом умножителя на постоянный коэффициент и с входом сложения алгебраического сумматора, измеритель частоты генератора, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды генератора, а выход соединен с входом делимого блока деления, вход делителя которого соединен с выходом измерителя амплитуды генератора, а выход соединен с первым входом перемножителя, второй вход которого соединен с выходом измерителя амплитуды сети, а выход соединен с вычитающим входом алгебраического сумматора, выход которого соединен с первыми входами первого и второго компараторов, второй вход первого компаратора соединен с выходом умножителя на постоянный коэффициент и с входом первого инвертора, выход “Больше” первого компаратора соединен с входом первого исполнительного элемента, второй вход второго компаратора соединен с выходом первого инвертора, а выход “Меньше” соединен с входом второго исполнительного элемента, при этом вход первого формирователя короткого импульса по переднему фронту соединен с выходом третьего компаратора, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды генератора, являющегося входом генератора частотно-фазового реле, вход второго формирователя короткого импульса по переднему фронту соединен с выходом четвертого компаратора, вход которого соединен с входом измерителя амплитуды сети, первый и второй входы второго элемента И соединены с выходами соответственно первого и второго формирователей коротких импульсов по переднему фронту, а выход соединен с входом расширителя импульсов, выход которого соединен с входом второго инвертора, выход которого соединен с первым входом третьего элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, первый и второй входы которого соединены с выходом “Меньше” первого компаратора и с выходом “Больше” второго компаратора соответственно, выход третьего элемента И соединен с входом третьего исполнительного элемента, измерители частоты сети и генератора преобразуют сигналы сети и генератора в соответствии с математическими выражениями

U₀=A₀/f₀; U₁=A₁/f₁,

где U₀ - сигнал на выходе измерителя частоты сети;

U₁ - сигнал на выходе измерителя частоты генератора;

f₀ - частота сети;

f₁ - частота генератора;

А₀, А₁ - масштабные коэффициенты, пропорциональные амплитудам напряжений сети и генератора,

причем измерители амплитуды сети и генератора преобразуют сигналы сети и генератора в величины, пропорциональные их амплитудам и равные масштабным коэффициентам А₀ и А₁ соответственно, длительность импульсов, формируемых первым и вторым формирователями коротких импульсов по переднему фронту, пропорциональна допустимому значению рассогласования фаз напряжений сети и генератора, а длительность импульсов, формируемых расширителем импульсов, не менее периода напряжения генератора и периода напряжения сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3