Частотно-фазовое реле

 

Изобретение используется в электротехнике для создания электронных реле частоты, например, при подстройке частоты и фазы генератора при его включении в сеть. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения одновременного выполнения функций реле частоты и фазы генератора относительно частоты и фазы напряжения сети. Для этого устройство содержит частотно-зависимый элемент, сумматор, два исполнительных элемента, шесть пороговых блоков, три элемента И, реверсивный счетчик, два генератора тактовых импульсов, делитель частоты импульсов, одновибратор, вход запуска которого является входом запуска частотно-фазового реле, RS-триггер, два формирователя коротких импульсов, два элемента ИЛИ, фильтр-усреднитель, счетчик импульсов, при этом вход частотно-зависимого элемента является входом напряжения генератора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве электронного реле частоты и фазы, например, при подстройке частоты и фазы генератора при его включении в сеть.

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

Недостатком устройства является 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 формирователь импульсов, 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 формирователя импульсов, последовательно соединенные делитель напряжения, вход которого соединен с выходом частотного фильтра, второй формирователь импульсов и формирователь коротких импульсов, выход которого соединен со вторым входом элемента ЗАПРЕТ, а также пусковой элемент, выполненный в виде выпрямителя, вход которого соединен с выходом разделительного трансформатора, а выход - соединен со вторым входом расширителя импульсов [2].

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно одновременно может работать либо как реле понижения частоты, либо как реле повышения частоты, но не позволяет контролировать частоту и фазу генератора при его подключении в сеть.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, путем обеспечения одновременного выполнения функций реле частоты и фазы генератора относительно частоты и фазы напряжения сети.

Этот технический результат достигается тем, что в частотно-фазовое реле, содержащее первый исполнительный элемент, частотно-зависимый элемент и первый формирователь коротких импульсов, введены первый, второй и третий элементы И, сумматор, реверсивный счетчик, вход сложения и вход вычитания которого соединены соответственно с выходом первого и с выходом второго элементов И, пороговые блоки с первого по шестой, второй исполнительный элемент, последовательно соединенные первый генератор тактовых импульсов и делитель частоты, второй формирователь коротких импульсов, вход которого соединен с выходом “меньше” шестого порогового блока, вход которого является входом сигнала сети частотно-фазового реле, RS-триггер, S-вход которого соединен с выходом первого формирователя коротких импульсов, первый элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом второго формирователя коротких импульсов, а выход - соединен с R-входом RS-триггера, второй генератор тактовых импульсов, вход запуска которого соединен с выходом третьего элемента И, первый вход которого соединен с выходом RS-триггера, одновибратор, вход запуска которого является входом запуска частотно-фазового реле, второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ и с выходом одновибратора, счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго генератора тактовых импульсов, а вход установки в ноль - соединен с выходом второго элемента ИЛИ, фильтр-усреднитель, информационный вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, тактовый вход - соединен со вторым входом второго элемента ИЛИ и с выходом второго формирователя коротких импульсов, а выход - соединен с входом второго исполнительного элемента, при этом вход частотно-зависимого элемента является входом напряжения генератора и соединен с входом четвертого порогового блока, выход “больше” которого соединен с первым входом сумматора и входом первого формирователя коротких импульсов, выход частотно-зависимого элемента соединен с входом пятого порогового блока, выход “меньше” которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом первого порогового блока, первый прямой вход первого элемента И соединен с выходом “меньше” первого порогового блока, с выходом “больше” которого соединен первый прямой вход второго элемента И, второй прямой вход первого элемента И соединен с выходом делителя частоты, а второй прямой вход второго элемента И соединен с выходом первого генератора тактовых импульсов, выход реверсивного счетчика соединен со входом первого исполнительного элемента и с входами второго и третьего пороговых блоков, выход “больше” второго порогового блока и выход “меньше” третьего порогового блока соединены с инверсными входами первого и второго элементов И, соответственно выход одновибратора соединен с входами установки в начальное состояние реверсивного счетчика и с входом запуска первого генератора тактовых импульсов, второй вход третьего элемента И соединен с выходом первого исполнительного элемента.

Кроме того, поставленная техническая задача достигается тем, что первый исполнительный элемент выполнен в виде седьмого порогового блока, вход которого является входом первого исполнительного элемента, а выход - “больше” является выходом первого исполнительного элемента и является клеммой подключения обмотки реле сигнализации настройки частоты генератора.

Кроме того, поставленная техническая задача достигается тем, что второй исполнительный элемент выполнен в виде восьмого и девятого пороговых блоков, и четвертого элемента И, при этом входы восьмого и девятого пороговых блоков объединены и являются входом второго исполнительного элемента, выход “больше” восьмого порогового блока и выход “меньше” девятого порогового блока соединены соответственно с первым и вторым входом четвертого элемента И, выход которого является клеммой подключения обмотки реле сигнализации настройки частоты и фазы генератора к частоте и фазе сети.

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

Частотно-фазовое реле (фиг.1) содержит четвертый пороговый блок 1, вход которого является входом напряжения генератора, а выход “больше” - соединен с первым входом сумматора 2, выход которого соединен с входом первого порогового блока 3, первый 4 и второй 5 элементы И, первые прямые входы которых соединены соответственно с выходом “меньше” и выходом “больше” первого порогового блока 3, реверсивный счетчик 6, вход сложения и вход вычитания которого соединены с выходом первого 4 и второго 5 элементов И, соответственно второй 7 и третий 8 пороговые блоки, выходы которых соединены с инверсными входами первого 4 и второго 5 элементов И, соответственно и первый исполнительный элемент 9, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика 6.

Частотно-фазовое реле содержит также последовательно соединенные первый генератор 10 тактовых импульсов (ГТИ), выход которого соединен со вторым прямым входом второго элемента И 5, и делитель 11 частоты импульсов, выход которого соединен со вторым прямым входом первого элемента И 4, а также одновибратор 12, вход которого является входом запуска частотно-фазового реле, а выход соединен с входом установки в начальное состояние реверсивного счетчика 6 и с входом запуска первого ГТИ 10.

Кроме того, частотно-фазовое реле содержит частотно-зависимый элемент 13, вход которого соединен с входом четвертого порогового блока 1, а выход соединен с входом пятого порогового блока 14, выход “меньше” которого соединен со вторым входом первого сумматора 2, первый формирователь 15 коротких импульсов, вход которого соединен с выходом четвертого порогового блока 1, шестой пороговый блок 16, вход которого является входом напряжения сети частотно-фазового реле, второй формирователь 17 коротких импульсов, вход которого соединен с выходом “меньше” шестого порогового блока 16, RS-триггер 18, S-вход которого соединен с выходом первого формирователя 15 коротких импульсов, первый элемент ИЛИ 19, первый вход которого соединен с выходом второго формирователя 17 коротких импульсов, а выход соединен с R-входом RS-триггера 18, второй генератор 20 тактовых импульсов, второй элемент ИЛИ 21, первый вход которого соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ 19 и с выходом одновибратора 12.

Дополнительно частотно-фазовое реле содержит счетчик 22 импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго генератора 20 тактовых импульсов, а вход установки в ноль соединен с выходом второго элемента ИЛИ 21, фильтр-усреднитель 23, информационный вход которого соединен с выходом счетчика 22 импульсов, тактовый вход соединен со вторым входом второго элемента ИЛИ 21 и с выходом второго формирователя 17 коротких импульсов, а выход соединен с входом второго исполнительного элемента 24, а также третий элемент И 25, первый вход которого соединен с выходом первого исполнительного элемента 9, второй вход соединен с выходом RS-триггера 18, а выход соединен с входом запуска второго генератора 20 тактовых импульсов.

Кроме того, первый исполнительный элемент 9 выполнен в виде седьмого порогового блока 26, вход которого является входом первого исполнительного элемента 9, а выход “больше” является выходом первого исполнительного элемента 9 и является клеммой подключения обмотки реле сигнализации настройки частоты генератора.

Кроме того, второй исполнительный элемент 24 выполнен в виде восьмого 27 и девятого 28 пороговых блоков, и четвертого элемента И 29, при этом входы восьмого 27 и девятого 28 пороговых блоков объединены и являются входом второго исполнительного элемента 24, выход “больше” восьмого порогового блока 27 и выход “меньше” девятого порогового блока 28 соединены соответственно с первым и вторым входом четвертого элемента И 29, выход которого является клеммой подключения обмотки реле сигнализации настройки частоты и фазы генератора к частоте и фазе сети.

Пороговые блоки могут быть выполнены в виде стандартных компараторов, реверсивный счетчик 6 - по схеме, представленной в [3, стр. 177, 187], делитель 11 - в виде двоичного счетчика. Частотно-зависимый элемент 14 может быть выполнен, например, в виде резонансного контура [2, стр. 52, рис.1.14]. Напряжение на выходе частотно-зависимого элемента 13 опережает, отстает или совпадает по фазе с входным напряжением в зависимости от отклонения частоты входного напряжения относительно номинальной (резонансной) частоты частотно-зависимого элемента 13. Фильтр-усреднитель 23 может быть выполнен в виде стандартного цифрового фильтра, выполненного в виде регистра сдвига, информационный и тактовый входы которого являются соответственно информационным и тактовым входом фильтра-усреднителя, а выходы регистра сдвига соединены через соответствующие им умножители на весовые коэффициенты с выходным сумматором. Остальные блоки устройства также являются стандартными блоками электротехники Цепи питания блоков, кроме цепи питания одновибратора 12 на фиг.1 опущены, как несущественные.

На фиг.2 представлены следующие временные диаграммы: на фиг.2, а - сигнал U₁ на выходе четвертого порогового блока 1, на фиг.2, б - сигнал U₁₄ на выходе пятого порогового блока 14 при равенстве частоты генератора номинальной частоте (частоте сети), на фиг.2, в - сигнал U₁₄ на выходе пятого порогового блока 14, когда сдвиг частоты генератора приводит к отставанию фазы при прохождении сигнала через частотно-зависимый элемент 13, на фиг.2, г - сигнал U₁₄ на выходе пятого порогового блока 14, когда сдвиг частоты генератора приводит к опережению фазы при прохождении сигнала через частотно-зависимый элемент, на фиг.2, д - сигнал U₂ на выходе сумматора 2 (для случая отставания фазы), на фиг.2, е - сигнал Е₆ на выходе реверсивного счетчика 6 в аналоговом виде, на фиг.2, ж - сигнал U₂₆ на выходе седьмого порогового блока 26.

Частотно-фазовое реле работает следующим образом. При включении устройства питание подается на все его элементы, в том числе на вход запуска одновибратора 12, который вырабатывает импульс, поступающий на вход установки в начальное состояние реверсивного счетчика 6, на вход запуска первого ГТИ 10, через первый элемент ИЛИ 19 на вход установки в R-состояние RS-триггера 18 и через второй элемент ИЛИ 21 - на вход установки в нулевое состояние счетчика 22. Начальное состояние реверсивного счетчика 6 целесообразно устанавливать равным или несколько выше порогового уровня Uиэ седьмого порогового блока 27. На входы четвертого порогового блока 1 и частотно-зависимого элемента 13, которые являются входом напряжения генератора, поступает, например, напряжение внешнего генератора, включаемого в сеть. На выходе четвертого порогового блока 1 формируется сигнал логической единицы при положительной полуволне напряжения генератора (фиг.2, а), а на выходе пятого порогового блока 14 сигнал логической единицы при отрицательной полуволне напряжения генератора (фиг.2, б, в, г), который из-за влияния частотно-зависимого элемента 13 может совпадать, опережать или отставать по фазе в зависимости от величины и знака отклонения частоты генератора от номинальной частоты (частоты сети). Сигналы с выходов пятого 14 и четвертого 1 пороговых блоков поступают на вход сумматора 2, формирующего суммарный сигнал (фиг.2, е). Этот сигнал сравнивается в первом пороговом блоке 3 с опорным уровнем Uоп. Если напряжение больше опорного уровня, то уровень логической единицы формируется на выходе “больше” первого порогового блока 3, в противном случае - на его выходе “меньше”. В первом случае импульсы первого ГТИ 10 через второй элемент И 5 поступают на вход вычитания реверсивного счетчика 6, во втором случае - импульсы первого ГТИ 10 после снижения частоты импульсов в делителе 11 через первый элемент И 4 поступают на его вход сложения (фиг.2, б). В результате, при увеличении амплитуды выходного сигнала сумматора 2 выше уровня Uоп, что соответствует расфазировке сигналов на выходах четвертого 1 и пятого 14 пороговых блоков (т.е. относительно большому отклонению частоты генератора от номинальной частоты - частоты сети), сигнал на выходе реверсивного счетчика 6 относительно быстро станет ниже порогового уровня Uиэ первого исполнительного элемента 9, что приведет к формированию на выходе седьмого порогового блока 26 уровня логического нуля и срабатыванию, например, контакта реле контроля частоты внешнего генератора. В остальных случаях на выходе “меньше” седьмого порогового блока 26 будет наблюдаться уровень логической единицы, что свидетельствует о примерном совпадении частоты генератора с частотой сети. Сигнал с выхода седьмого порогового блока 26 управляет состоянием третьего элемента И 25.

Второй 7 и третий 8 пороговые блоки обеспечивают устойчивость работы частотно-фазового реле. При длительной работе в нормальном режиме, когда частота внешнего генератора находится в допустимых пределах, они не позволяют превысить максимально заданный уровень сигнала Uп+ реверсивного счетчика 6, при недопустимо большом отклонении частоты от номинального значения - не позволяют стать меньше минимально заданного уровня сигнала Uп-.

Кроме того, на вход шестого порогового блока 16 поступает, например, сигнал напряжения сети, с фазой которого должен быть согласован внешний генератор.

По переднему фронту каждого из импульсов на выходах четвертого 1 и шестого 16 пороговых блоков в соответствующем первом 15 и втором 17 формирователях вырабатываются короткие импульсы. Короткий импульс с выхода первого формирователя 15 переводит RS-триггер 18 в единичное состояние, что приводит к активизации второго ГТИ 20 (при уровне логической единицы на выходе седьмого порогового блока 27) и подсчету вырабатываемых им импульсов счетчике 22. При выработке короткого импульса вторым формирователем 17 производится перезапись содержимого счетчика 22 в фильтр-усреднитель 23 и последующее обнуление счетчика 22 через малую задержку сигнала обнуления во втором элементе ИЛИ 21.

Следовательно, счетчик 22 производит измерение интервала времени между импульсами, вырабатываемыми первым 15 и вторым 17 формирователями коротких импульсов, который характеризует сдвиг фазы между напряжениями сети и генератора. Эти интервалы усредняются в фильтре-усреднителе 23, на выходе которого формируется средняя текущая оценка интервала. Если этот интервал примерно равен полупериоду напряжения сети, то сдвиг по фазе между напряжениями сети и генератора отсутствует. Уменьшение или увеличение временного интервала сигнализирует о рассогласовании фаз между напряжениями сети и генератора. Если рассогласование находится в допустимых пределах, то на выходе четвертого элемента И 29 формируется сигнал логической единицы.

Применение изобретения позволяет расширить функциональные возможности частотно-фазового реле за счет обеспечения его реакции на отклонение частоты генератора и его фазы относительно частоты и фазы сети.

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 г., с.390, рис.35.10.

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

[3]. Букреев и др. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. - М.: Советское ради, 1975.

Формула изобретения

1. Частотно-фазовое реле, содержащее первый исполнительный элемент, частотно-зависимый элемент и первый формирователь коротких импульсов, отличающееся тем, что введены первый, второй и третий элементы И, сумматор, реверсивный счетчик, вход сложения и вход вычитания которого соединены соответственно с выходом первого и с выходом второго элементов И, пороговые блоки с первого по шестой, второй исполнительный элемент, последовательно соединенные первый генератор тактовых импульсов и делитель частоты, второй формирователь коротких импульсов, вход которого соединен с выходом “меньше” шестого порогового блока, вход которого является входом сигнала сети частотно-фазового реле, RS-триггер, S-вход которого соединен с выходом первого формирователя коротких импульсов, первый элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом второго формирователя коротких импульсов, а выход соединен с R-входом RS-триггера, второй генератор тактовых импульсов, вход запуска которого соединен с выходом третьего элемента И, первый вход которого соединен с выходом RS-триггера, одновибратор, вход запуска которого является входом запуска частотно-фазового реле, второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ и с выходом одновибратора, счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом второго генератора тактовых импульсов, а вход установки в ноль соединен с выходом второго элемента ИЛИ, фильтр-усреднитель, информационный вход которого соединен с выходом счетчика импульсов, тактовый вход соединен со вторым входом второго элемента ИЛИ и с выходом второго формирователя коротких импульсов, а выход - соединен с входом второго исполнительного элемента, при этом вход частотно-зависимого элемента является входом напряжения генератора и соединен с входом четвертого порогового блока, выход “больше” которого соединен с первым входом сумматора и входом первого формирователя коротких импульсов, выход частотно-зависимого элемента соединен с входом пятого порогового блока, выход “меньше” которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с входом первого порогового блока, первый прямой вход первого элемента И соединен с выходом “меньше” первого порогового блока, с выходом “больше” которого соединен первый прямой вход второго элемента И, второй прямой вход первого элемента И соединен с выходом делителя частоты, а второй прямой вход второго элемента И соединен с выходом первого генератора тактовых импульсов, выход реверсивного счетчика соединен со входом первого исполнительного элемента и с входами второго и третьего пороговых блоков, выход “больше” второго порогового блока и выход “меньше” третьего порогового блока соединены с инверсными входами первого и второго элементов И соответственно выход одновибратора соединен с входами установки в начальное состояние реверсивного счетчика и с входом запуска первого генератора тактовых импульсов, второй вход третьего элемента И соединен с выходом первого исполнительного элемента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый исполнительный элемент выполнен в виде седьмого порогового блока, вход которого является входом первого исполнительного элемента, а выход “больше” является выходом первого исполнительного элемента и является клеммой подключения обмотки реле сигнализации настройки частоты генератора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй исполнительный элемент выполнен в виде восьмого и девятого пороговых блоков и четвертого элемента И, при этом входы восьмого и девятого пороговых блоков объединены и являются входом второго исполнительного элемента, выход “больше” восьмого порогового блока и выход “меньше” девятого порогового блока соединены соответственно с первым и вторым входом четвертого элемента И, выход которого является клеммой подключения обмотки реле сигнализации настройки частоты и фазы генератора к частоте и фазе сети.

РИСУНКИ