РЕЛЕ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в качестве электронного реле частоты.
Предложенное техническое решение представляет собой специализированное устройство электротехники, содержащее объединенные в единое целое различные средства (элементы, блоки, узлы и связи между ними, в том числе, безусловно являющиеся устройствами), в результате объединения которых создано новое устройство, части которого находятся в конструктивном единстве, функциональной взаимосвязи и размещенные в ограниченном пространстве в едином корпусе.
Известно устройство [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], содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик импульсов, дешифратор, формирователь импульсов и исполнительный элемент, выполненный в виде транзистора.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности.
Известно также устройство [RU 2447535, C1, Н01Н 7/00, 10.04.2012], содержащее три RS-триггера, два элемента И, четыре элемента ИЛИ, счетчик импульсов, генератор тактовых импульсов, одновибратор, шесть пороговых блоков.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно может быть использовано как реле частоты биений.
К аналогам предложенного устройства относится также реле [RU 2460193, C1, H02J 3/40, 27.08.2012], содержащее вычитатель, два компаратора, два исполнительных элемента, инвертор, третий компаратор и одновибратор, а также элемент задержки сигнала, два дифференциатора, интегратор, блок извлечения корня и делитель.
Недостатком этого аналога также является относительно узкие функциональные возможности, поскольку он может быть использован как реле разности частот.
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 [В.А. Андреев. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высшая школа, 1991, с. 122, рис. 3.29. (прототип)].
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.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей, путем введения дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих одновременное выполнение функций реле повышения и понижения частоты, а также в повышении надежности работы в условиях возможного отключения входного напряжения.
Задача, которая решается в предложенной полезной модели, заключается в расширении функциональных возможностей и в повышении надежности работы.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем введения дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих одновременное выполнение функций реле повышения и понижения частоты, а также в повышении надежности работы в условиях возможного отключения входного напряжения.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее выпрямитель, первый исполнительный элемент, первый формирователь коротких импульсов и частотно-зависимый элемент, согласно предложенной полезной модели, введены второй исполнительные элемент, первый пороговый блок, вход которого соединен с клеммой входного напряжения, а выход «больше» - соединен с входом первого формирователя коротких импульсов, второй пороговый блок, вход которого соединен с выходом частотно-зависимого элемента, вход которого соединен с входом первого порогового блока, второй формирователь коротких импульсов, вход которого соединен с выходом «меньше» второго порогового блока, RS-триггер, первый элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом второго формирователя коротких импульсов, а выход - соединен с R-входом RS-триггера, генератор тактовых импульсов, вход запуска которого соединен с выходом RS-триггера, одновибратор, вход запуска которого является входом запуска реле частоты, 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 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 вход установки в ноль - соединен с выходом одновибратора, третий пороговый блок, выход «больше» которого соединен с входом первого исполнительного элемента, и четвертый пороговый блок, вход которого соединен с входом третьего порогового блока и с выходом фильтра-усреднителя, а выход «меньше» - соединен с входом второго исполнительного элемента, элемент И, первый вход которого соединен с выходом первого формирователя коротких импульсов, а выход - соединен с S-входом RS-триггера, а также пятый пороговый блок выход которого соединен со вторым входом элемента И, а вход - соединен с выходом выпрямителя, вход которого соединен с входом первого порогового блока.
На фиг. 1 представлена электрическая структурная схема реле частоты, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.
Реле частоты (фиг. 1) содержит первый пороговый блок 1, первый 2 и второй 3 исполнительные элементы, первый формирователь 4 коротких импульсов, вход которого соединен с выходом «больше» первого порогового блока 1, вход которого является клеммой входного напряжения, а также второй пороговый блок 5.
Реле частоты содержит также второй формирователь 6 коротких импульсов, вход которого соединен с выходом «меньше» второго порогового блока 5, RS-триггер 7, первый элемент ИЛИ 8, первый вход которого соединен с выходом второго формирователя 6 коротких импульсов, а выход - соединен с R-входом RS-триггера 7, генератор 9 тактовых импульсов (ГТИ), вход запуска которого соединен с выходом RS-триггера 7, одновибратор 10, вход запуска которого является входом запуска реле разности фаз, второй элемент ИЛИ 11, первый вход которого соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ 8 и с выходом одновибратора 10, счетчик 12 импульсов, счетный вход которого соединен с выходом генератора 9 тактовых импульсов, а вход установки в ноль - соединен с выходом второго элемента ИЛИ 11, фильтр-усреднитель 13, информационный вход которого соединен с выходом счетчика 12 импульсов, тактовый вход - соединен со вторым входом второго элемента ИЛИ 11 и с выходом второго формирователя 6 коротких импульсов, а вход установки в ноль - соединен с выходом одновибратора 10.
Кроме того, реле частоты содержит третий пороговый блок 14, выход «больше» которого соединен с входом первого исполнительного элемента 2, четвертый пороговый блок 15, вход которого соединен с входом третьего порогового блока 14 и с выходом фильтра-усреднителя 13, а выход «меньше» - соединен с входом второго исполнительного элемента 3, а также частотно-зависимый элемент 16, вход которого соединен с входом первого порогового блока, а выход - соединен с входом второго порогового блока.
В состав реле частоты входят также элемент И 17, первый вход которого соединен с выходом первого формирователя 4 коротких импульсов, а выход - соединен с S-входом RS-триггера 7, выпрямитель 18, а также пятый пороговый блок 19 выход которого соединен со вторым входом элемента И 17, а вход - соединен с выходом выпрямителя 18, вход которого соединен с входом первого порогового блока 1.
Первый 4 и второй 6 формирователи коротких импульсов вырабатывают короткие импульсы по перепаду их входного сигнала с уровня логического нуля на уровень логической единицы.
Первый 2 и второй 3 исполнительные элементы могут быть выполнены в виде обмотки реле, которая непосредственно или через усилитель соединена с выходом, соответственно, третьего 14 и четвертого 15 пороговых блоков. Первый 1, второй 5 и пятый 19 пороговые блоки могут быть выполнены в виде аналоговых компараторов с нулевым порогом, а третий 14 и четвертый 15 пороговые блоки в виде цифровых компараторов. Фильтр-усреднитель 13 может быть выполнен в виде стандартного цифрового фильтра, выполненного в виде регистра сдвига, информационный вход, тактовый вход и вход установки ноль которого являются, соответственно, информационным входом, тактовым входом и входом установки в ноль фильтра-усреднителя, а выходы регистра сдвига соединены через соответствующие им умножители на весовые коэффициенты с выходным сумматором, выход которого является выходом фильтра-усреднителя. Частотно-зависимый элемент 14 может быть выполнен, например, в виде резонансного контура [2, стр. 52, рис. 1.14], выходной сигнал которого имеет сдвиг по фазе относительно входного сигнала, величина которого пропорциональна значению отклонения частоты входного сигнала относительно номинальной частоты (резонансной частоты контура). Остальные блоки устройства также являются стандартными блоками электротехники. Цепи питания блоков, кроме цепи питания одновибратора, 10 на фиг. 1, опущены, как несущественные.
На фиг. 2, а представлены временные диаграммы сигналов на выходе первого порогового блока 1, на фиг. 2, б, в, г. на выходе второго порогового блока 6: фиг.2, б - указанные сигналы при равенстве частоты входного напряжения номинальной частоте; 2, в, г - отклонения частоты входного напряжения от номинальной в сторону увеличения и уменьшения, соответственно.
Работает реле частоты следующим образом.
При включении реле питание подается на его блоки в том числе на вход одновибратора 10, сигнал с выхода которого устанавливает в нулевое состояние счетчик 12 импульсов, RS-триггер 7 и регистр сдвига фильтра-усреднителя 13.
На входы первого порогового блока 1 и частотно-зависимого элемента 16, которые соединены с клеммой входного напряжения, поступает входное напряжение, частота которого контролируется. На выходе первого порогового блока 1 формируется сигнал логической единицы при положительной полуволне входного напряжения (фиг. 2, а), а на выходе второго порогового блока 5 сигнал логической единицы формируется при отрицательной полуволне входного напряжения (фиг. 2, б, в, г). При этом влияние частотно-зависимого элемента 16 приводит к совпадению, опережению или отставанию по фазе в зависимости от величины и знака отклонения частоты входного напряжения от номинальной частоты сигнала на его выходе относительно сигнала на его входе.
По переднему фронту каждого из импульсов на выходах первого 1 и второго 5 пороговых блоков в соответствующем первом 4 и втором 6 формирователях вырабатываются короткие импульсы.
Когда амплитуда входного напряжения находится в допустимых пределах, то выпрямленное и сглаженное напряжение с выхода выпрямителя 18 превышает порога срабатывания пятого порогового блока 19 и сигнал с уровнем логической единицы поступает на вход элемента И 17. Поэтому сформированный короткий импульс с выхода первого формирователя 4 переводит RS-триггер 7 в единичное состояние, что вызывает перевод в активное состояние ГТИ 9 и подсчет вырабатываемых им импульсов в счетчике 12. При выработке короткого импульса вторым формирователем 6 производится перезапись содержимого счетчика 12 в фильтр-усреднитель 13 и последующее обнуление счетчика 12 через малую задержку сигнала обнуления во втором элементе ИЛИ 11.
Следовательно, счетчик 12 производит измерение интервала времени между импульсами, вырабатываемыми первым 4 и вторым 6 формирователями импульсов, который характеризует сдвиг фазы между входным напряжением и этим же напряжением, но прошедшим через частотно-зависимый элемент 16. Если этот интервал примерно равен полупериоду входного напряжения, то сдвиг по фазе между напряжениями отсутствует, что сигнализирует о равенстве частоты входного напряжения номинальной. Уменьшение временного интервала сигнализирует о том, что фаза выходного напряжения частотно-зависимого элемента 16 опережает по фазе входное напряжение, а увеличение - об отставании (см. фиг. 2). Эти состояния (при недопустимо больших рассогласованиях фаз и, следовательно, о недопустимо больших отклонениях частоты входного напряжения от номинальной) регистрируются третьим 14 и четвертым 15 пороговыми блоками и срабатыванием соответствующих им первого 2 и второго 3 исполнительных элементов.
Если входное напряжение снижается ниже допустимого уровня, что может соответствовать, например, режиму короткого замыкания на входе реле частоты, то на выходе пятого порогового блока 19 формируется уровень логического нуля, что исключает перевод RS-триггера 7 в единичное состояние и описанный выше процесс оценки соответствия частоты входного напряжения номинальной частоте в этом случае не может быть реализован.
Тем самым расширяются функциональные возможности реле частоты, поскольку реле реагирует как на повышение, так и на снижение контролируемой частоты при одновременном повышении надежности работы в условиях снижения амплитуды входного напряжения ниже допустимого уровня.
Источники информации, принятые во внимание:
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.