Реле разности фаз

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах релейной защиты, например, в качестве реле разности фаз сети и генератора. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей. Для этого реле разности фаз содержит пять пороговых блоков, сумматор, два элемента И, реверсивный счетчик, два исполнительных элемента, генератор тактовых импульсов, делитель частоты импульсов, одновибратор, формирователь коротких импульсов, два регистра памяти, нерекурсивный фильтр, блок вычитания, при этом вход четвертого порогового блока является входом напряжения сети, вход пятого порогового блока является входом напряжения генератора, а вход одновибратора является входом запуска реле разности фаз. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах релейной защиты, например, в качестве реле разности фаз сети и генератора.

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

Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве реле разности фаз.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее первый и второй выпрямительные блоки, выполненные в виде диодов, катод и анод которых являются, соответственно, клеммой напряжения генератора и клеммой напряжения сети, сумматор, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с анодом первого и с катодом второго диодов, первый и второй операционные усилители, являющиеся, соответственно, повторителем и пороговым блоком, входы которых соединены с выходом сумматора, третий и четвертый диоды, аноды которых соединены с выходами первого и второго операционных усилителей, соответственно, умножитель, входы которых соединены с катодами третьего и четвертого диодов, первый и второй инверторы, входы которых соединены, соответственно, с катодами третьего и четвертого диодов, а также первый, второй и третий исполнительные элементы, соединенные, соответственно, с выходом умножителя и первого и второго инверторов [2].

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно вырабатывает сигнал примерного равенства амплитуды напряжений сети и генератора, что указывает на временной интервал возможной подстройки фазы генератора к фазе сети, но не вырабатывает сигнала допустимого (или недопустимого) рассогласования фаз генератора и сети в интервале возможной подстройки. Кроме того, известное техническое решение не реагирует на скорость рассогласования фазы напряжений сети и генератора, что необходимо учитывать в ряде технологических процессов.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее первый и второй исполнительные элементы, а также сумматор и первый пороговый блок, введены первый и второй элементы И, реверсивный счетчик, одновибратор, второй, третий, четвертый и пятый пороговые блоки, первый и второй регистры памяти, формирователь короткого импульса, нерекурсивный фильтр, блок вычитания и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и делитель частоты, при этом, вход четвертого порогового блока является входом напряжения сети, а выход “больше” соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом первого порогового блока, вход пятого порогового блока является входом напряжения генератора, а выход “меньше” соединен со вторым входом сумматора, входы сложения и вычитания реверсивного счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И, соответственно, 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 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, вход формирователя короткого импульса соединен с выходом четвертого порогового блока, а выход - соединен с тактовыми входами первого и второго регистров памяти и нерекурсивного фильтра, выход реверсивного счетчика соединен с информационным входом первого регистра памяти и с первым входом блока вычитания, выход первого регистра памяти соединен с информационным входом второго регистра памяти, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, информационный вход нерекурсивного фильтра соединен с выходом блока вычитания, а выход - соединен с входом второго исполнительного элемента, выход одновибратора соединен с входом установки в начальное состояние реверсивного счетчика и с входом запуска генератора тактовых импульсов, вход одновибратора является входом запуска реле разности фаз.

Кроме того, первый и второй исполнительные элементы содержат пороговый блок, вход которого является входом исполнительного элемента, а выход непосредственно или через усилительный элемент соединен с входом реле с замыкающими контактами.

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

Реле разности фаз содержит четвертый пороговый блок 1, вход которого является входом напряжения сети, 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 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 9-1, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика 6. Устройство также содержит последовательно соединенные генератор 10 тактовых импульсов (ГТИ), выход которого соединен со вторым входом второго элемента И 5, и делитель 11 частоты импульсов, выход которого соединен со вторым входом первого элемента И 4, а также одновибратор 12, вход которого является входом запуска реле частоты, а выход соединен с входом установки в начальное состояние реверсивного счетчика бис входом запуска ГТИ 10. При этом, первый 9-1 и второй 9-2 исполнительные элементы могут быть выполнены в виде порогового блока 13, вход которого является входом соответствующего исполнительного элемента, а выход непосредственно или через усилительный элемент соединен со входом исполнительного реле с замыкающими контактами. Кроме того, устройство содержит пятый пороговый блок 14, вход которого является входом напряжения внешнего генератора, а выход “меньше” - соединен со вторым входом сумматора 2, формирователь 15 короткого импульса, вход которого соединен с выходом четвертого порогового блока 1, а выход - соединен с тактовыми входами первого 16 и второго 17 регистров памяти и нерекурсивного фильтра 18, а также блок 19 вычитания, при этом, выход реверсивного счетчика 6 соединен с информационным входом первого регистра 16 памяти и с первым входом блока 19 вычитания, а выход первого регистра 16 соединен с информационным входом второго регистра 17 памяти, выход которого соединен со вторым входом блока 19 вычитания, информационный вход нерекурсивного фильтра 18 соединен с выходом блока 19 вычитания, а выход - соединен с входом второго исполнительного элемента 9-1, выход одновибратора 12 соединен с входом установки в начальное состояние реверсивного счетчика 6 и с входом запуска генератора 10 тактовых импульсов, вход одновибратора 12 является входом запуска реле разности фаз.

Первый 3, второй 7, третий 8, четвертый 1 и пятый 14 пороговые блоки, а также пороговый блок 13 могут быть выполнены в виде стандартных компараторов, реверсивный счетчик - по схеме, представленной в [3, стр.177, 187], делитель 11 - в виде двоичного счетчика, а нерекурсивный фильтр 18 - в виде стандартного цифрового фильтра - усреднителя, содержащего регистр сдвига, выход каждой ячейки которого через соответствующий умножитель соединен с выходным сумматором.

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 совпадении фазы внешнего генератора с фазой напряжения сети, на фиг.2,в - сигнал U₁₄ на выходе пятого порогового блока 14 при отставании фазы внешнего генератора от фазы напряжения сети, на фиг.2,г - сигнал U₁₄ на выходе пятого порогового блока 14 при опережении фазы внешнего генератора относительно фазы напряжения сети, на фиг.2,д - сигнал U₂ на выходе сумматора 2 (для случая отставания фазы напряжения внешнего генератора от фазы напряжения сети), на фиг.2,е - сигнал Е₆ на выходе реверсивного счетчика 6 в аналоговом виде, на фиг.2,ж - сигнал U₁₃ на выходе порогового блока 13.

Работает реле разности фаз следующим образом.

При включении устройства питание подается на все его элементы, в том числе, на вход запуска одновибратора 12, который вырабатывается импульс, поступающий на вход установки в начальное состояние реверсивного счетчика 6 и на вход запуска ГТИ 10. Начальное состояние счетчика целесообразно устанавливать равным или несколько выше порогового уровня исполнительного элемента Uиэ (фиг.2,ж).

Сигналы напряжений внешнего генератора Ur и сети Uc поступают на входы пятого 14 и четвертого 1 пороговых блоков, соответственно. На выходе четвертого порогового блока 1 формируется сигнал логической единицы при положительной полуволне напряжения сети (фиг.2,а), а на выходе пятого порогового блока 14 - сигнал логической единицы при отрицательной полуволне сигнала генератора (фиг.2,б, в, г), который может совпадать, опережать или отставать по фазе от напряжения сети. Сигналы с выходов пятого 14 и четвертого 1 пороговых блоков поступают на вход сумматора 2, формирующего суммарный сигнал (фиг.2, д). Это напряжение сравнивается в первом пороговом блоке 3 с опорным уровнем Uoп. 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 ГТИ 10 через второй элемент И 5 поступают на вход вычитания реверсивного счетчика 6, во втором случае - импульсы ГТИ 10 через первый элемент И поступают на его вход сложения после снижения частоты импульсов в делителе 11 частоты импульсов. В результате этого при увеличении амплитуды выходного сигнала сумматора 2, что соответствует расфазировке напряжений сети и генератора, сигнал на выходе реверсивного счетчика 6 относительно быстро станет ниже порогового уровня исполнительного элемента Uиэ, что приведет к формированию на выходе порогового блока 13 уровня логической единицы и срабатыванию замыкающего контакта реле разности фаз.

Второй 7 и третий 8 пороговые блоки обеспечивают устойчивость работы реле частоты. При длительной работе в нормальном режиме, когда выходное напряжение выпрямителя 2 находится в допустимых пределах, они не позволяют превысить максимально заданный уровень сигнала Un+ реверсивного счетчика, при недопустимо большом уровне выходного напряжения выпрямителя 2 - не позволяет стать меньше минимально заданного уровня сигнала Uп-.

Кроме того, содержимое реверсивного счетчика 6 по импульсу, вырабатываемого в формирователе 15 по переднему фронту импульса на выходе четвертого порогового блока 1, т.е. с периодичностью в период напряжения, поступающего на его вход, переписывается в первый регистр 16 памяти, из которого ранее содержащийся отсчет переписывается во второй регистр 17 памяти. Следовательно, на выходе блока 19 вычитания последовательно с кратностью в период напряжения формируются разности значений реверсивного счетчика 6. Эти разности усредняются в нерекурсивном фильтре 18, в котором производится усредненная оценка производной сигнала, характеризующего изменения степени рассогласования фаз напряжений, поступающих на вход реле. Если скорость изменения степени рассогласования фаз превысит допустимый предел, то срабатывает второй исполнительный элемент 9-2.

Тем самым расширяются функциональные возможности устройства, поскольку обеспечивается реакция реле на недопустимое рассогласование фаз напряжений сети и генератора, а также на скорость изменения степени рассогласования фаз входных напряжений.

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. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения, М.: Высшая школа, 1991, с.355, рис.12.16 (прототип).

3. Букреев и др. Микроэлектронные схемы цифровых устройств, М.: Советское радио, 1975.

Реле разности фаз, содержащее первый и второй исполнительные элементы, а также сумматор и первый пороговый блок, отличающееся тем, что введены первый и второй элементы И, реверсивный счетчик, одновибратор, второй, третий, четвертый и пятый пороговые блоки, первый и второй регистры памяти, формирователь короткого импульса, нерекурсивный фильтр, блок вычитания и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и делитель частоты, при этом вход четвертого порогового блока является входом напряжения сети, а выход "больше" соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом первого порогового блока, вход пятого порогового блока является входом напряжения генератора, а выход "меньше" соединен со вторым входом сумматора, входы сложения и вычитания реверсивного счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И соответственно, 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 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, вход формирователя короткого импульса соединен с выходом четвертого порогового блока, а выход соединен с тактовыми входами первого и второго регистров памяти и нерекурсивного фильтра, выход реверсивного счетчика соединен с информационным входом первого регистра памяти и с первым входом блока вычитания, выход первого регистра памяти соединен с информационным входом второго регистра памяти, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, информационный вход нерекурсивного фильтра соединен с выходом блока вычитания, а выход соединен с входом второго исполнительного элемента, выход одновибратора соединен с входом установки в начальное состояние реверсивного счетчика и с входом запуска генератора тактовых импульсов, вход одновибратора является входом запуска реле разности фаз.