ЧАСТОТНО-ФАЗОВОЕ РЕЛЕ
FREQUENCY-PHASE RELAY

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.
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 [1].
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. Кроме того, известное устройство обладает относительно низкой помехоустойчивостью в условиях кратковременных сбоев частоты генератора.
Задача, которая решается в изобретении, является создание устройства с более широкими функциональными возможностями, обеспечивающими одновременное выполнение функций реле частоты и фазы генератора относительно частоты и фазы напряжения сети, обладающего более высокой помехоустойчивостью в условиях кратковременных сбоев частоты генератора.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем обеспечения одновременного выполнения функций реле частоты и фазы генератора относительно частоты и фазы напряжения сети, а также повышении помехоустойчивости в условиях кратковременных сбоев частоты генератора.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в частотно-фазовое реле, содержащее первый исполнительный элемент, частотно-зависимый элемент и первый формирователь коротких импульсов, согласно изобретению введены первый, второй, третий и четвертый 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 напряжения сети частотно-фазового реле, первый 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 первого RS-триггера, второй генератор тактовых импульсов, вход запуска которого соединен с выходом третьего элемента И, первый вход которого соединен с выходом первого 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, первый 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 первого 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, третий элемент ИЛИ, второй и третий RS-триггеры, третий генератор тактовых импульсов, второй счетчик импульсов и дешифратор, при этом прямой вход четвертого элемента И соединен с выходом «меньше» первого исполнительного элемента, инверсный вход соединен с инверсным выходом третьего RS-триггера, а выход соединен с S-входом второго RS-триггера, первый вход третьего элемента ИЛИ соединен с выходом «больше» первого исполнительного элемента, второй вход соединен с выходом одновибратора и с S-входом третьего RS-триггера, а выход соединен с входом установки в ноль второго счетчика импульсов и с R-входом второго RS-триггера, выход которого соединен с входом запуска третьего генератора тактовых импульсов, выход третьего генератора тактовых импульсов соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, выход которого соединен с входом дешифратора, выход которого соединен с R-входом третьего RS-тригтера, 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, а прямой выход третьего RS-триггера соединен со вторым входом третьего элемента И.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что первый исполнительный элемент выполнен в виде седьмого порогового блока, вход которого является входом первого исполнительного элемента, выход «больше» является выходом «больше» первого исполнительного элемента и клеммой подключения обмотки реле сигнализации настройки частоты генератора, в выход «меньше» является выходом «меньше» первого исполнительного элемента.
Кроме того, требуемый технический результат 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 входами пятого 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 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, первый 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 первого 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 первый 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 первого 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, выход которого 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 входами четвертого элемента И 29, выход которого является клеммой 30 подключения обмотки реле сигнализации настройки частоты и фазы генератора к частоте и фазе сети.
Частотно-фазовое реле содержит также третий элемент ИЛИ 31, второй 32 и третий 33 RS-триггеры, третий генератор 34 тактовых импульсов, вход запуска которого соединен с выходом второго RS-триггера 32, второй счетчик 35 импульсов, дешифратор 36 и четвертый элемент И 37, прямой вход которого соединен с выходом «меньше» первого исполнительного элемента 9, инверсный вход соединен с инверсным выходом третьего RS-триггера 33, а выход соединен с S-входом второго RS-триггера 32, при этом первый вход третьего элемента ИЛИ 31 соединен с выходом «больше» первого исполнительного элемента 9, второй вход соединен с выходом одновибратора 12 и с S-входом третьего RS-триггера 33, а выход соединен с входом установки в ноль второго счетчика импульсов 35 и с R-входом второго RS-триггера 32, выход третьего генератора 34 тактовых импульсов соединен со счетным входом второго счетчика 35 импульсов, выход которого соединен с входом дешифратора 36, выход которого соединен с R-входом третьего RS-триггера 33, прямой вход которого соединен со вторым входом третьего элемента И 25.
Пороговые блоки могут быть выполнены в виде стандартных компараторов, реверсивный счетчик 6 - по схеме, представленной в [5], делитель 11 - в виде двоичного счетчика. Частотно-зависимый элемент 13 может быть выполнен, например, в виде резонансного контура [6]. Напряжение на выходе частотно-зависимого элемента 13 опережает, отстает или совпадает по фазе с входным напряжением в зависимости от частоты входного напряжения относительно номинальной (резонансной) частоты 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 [2…6].
1
14
14
14
2
6
26
На фиг. 2 представлены следующие временные диаграммы: на фиг. 2, а - сигнал U на выходе четвертого порогового блока 1, на фиг. 2, б - сигнал U на выходе пятого порогового блока 14 при равенстве частоты генератора номинальной частоте (частоте сети), на фиг. 2, в - сигнал U 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 U 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 U на выходе сумматора 2 (для случая отставания фазы), на фиг. 2, е - сигнал Е на выходе реверсивного счетчика 6 в аналоговом виде, на фиг. 2, ж - сигнал U на выходе «больше» седьмого порогового блока 26.
Частотно-фазовое реле работает следующим образом.
иэ
оп
оп
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 U седьмого порогового блока 26. 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), которое 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 соответствующие входы сумматора 2, формирующего суммарный сигнал (фиг. 2, е). Этот сигнал сравнивается в первом пороговом блоке 3 с опорным уровнем U. 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 вход сложения счетчика 6 (фиг. 2, б). В результате, при увеличении амплитуды выходного сигнала сумматора 2 выше уровня U, 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 «меньше 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 «меньше» седьмого порогового блока 26 управляет состоянием четвертого элемента И 37.
п+
п-
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 U реверсивного счетчика 6, при недопустимо большом отклонении частоты от номинального значения - не позволяют стать меньше минимально заданного уровня сигнала U.
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 прямом выходе третьего RS-триггера 33) и подсчету вырабатываемых им импульсов в первом счетчике 22. При выработке короткого импульса вторым формирователем 17 производится перезапись содержимого первого счетчика 22 в фильтр-усреднитель 23 и последующее обнуление первого счетчика 22 через малую задержку сигнала обнуления во втором элементе ИЛИ 21.
Следовательно, первый 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. При совпадении фаз напряжения сети и генератора эти интервалы равны полупериоду частоты напряжения сети (и, соответственно, генератора при равенстве частот). При рассогласовании фаз они становятся меньше или больше полуинтервала частоты в зависимости от знака рассогласования. Результаты измерения с выхода первого счетчика 22 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 30 четвертого элемента И 29 формируется сигнал логической единицы.
Устранение влияния кратковременных сбоев частоты генератора относительно частоты сети производится следующим образом.
При близости частот генератора и сети уровень логической единицы наблюдается на выходе «больше» седьмого порогового блока 26, что подтверждает нулевое состояние второго RS-триггера 32. Поэтому третий RS-триггер 33 продолжает находится в единичном состоянии и работа частотно-фазового реле продолжается в соответствии с описанным выше. При сбое частот генератора и сети на выходе «меньше» седьмого порогового блока 26 формируется уровень логической единицы, что обеспечивает перевод второго RS-тригтера 32 в единичное состояние и запуск третьего ГТИ 34, который начнет вырабатывать счетные импульсы. При заполнении второго счетчика 35 импульсов свыше допустимого уровня, который соответствует предельно допустимому временному интервалу сбоя частот, срабатывает дешифратор 36, который переводит третий RS-триггер 33 в нулевое состояние по его прямому выходу. Сигнал с прямого выхода третьего RS-триггера 33 подается на вход третьего элемента И 25, что приведет к останову второго ГТИ 20 и прекращению процесса оценки фазового рассогласования сигналов генератора и сети.
Если рассогласовании частот на более короткий период, чем предельно допустимый, на выходе «больше» седьмого порогового блока 26 появляется сигнал перепада напряжения от уровня логического нуля до уровня логической единицы и второй RS-триггер 32 переводится в состояние логического нуля по своему выходу. Это приводит к останову третьего ГТИ 34 и обнулению второго счетчика 35 импульсов, что исключает перевод третьего RS-триггера 33 в нулевое состояние. Поэтому кратковременные сбои часто генератора относительно частоты сети не приведет к прерыванию работы частотно-фазового реле. Появляющиеся при этом кратковременные рассогласования фаз напряжения генератора и сети будут усреднены и постепенно сведены на нет фильтром-усреднителем 23.
Применение изобретения позволяет расширить функциональные возможности частотно-фазового реле за счет обеспечение его реакции на отклонение частоты генератора и его фазы относительно частоты и фазы сети, а также устранить влияние кратковременных сбоев частоты генератора относительно частоты сети, что повышает его помехоустойчивость.
Источники
1. Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991, с. 122, рис. 3.29.
2. 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.
3. Патент РФ на изобретение 2484547 C1, Н01Н 47/20. Реле разности фаз / А.В. Мосиенко, Э.В. Борисов, В.Е. Казарин, А.С. Безбородов, Н.Н. Тацышин, О.С. Купач. Опубл. 10.06.2013.
4. Патент РФ на изобретение 2220468 C1, Н01Н 47/18. Реле разности фаз / В.В. Березов. Опубл. 27.12.2002.