РЕЛЕ РАЗНОСТИ ФАЗ ПОДКЛЮЧАЕМЫХ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ ГЕНЕРАТОРОВ
RELAY OF DIFFERENCE IN PHASES OF GENERATORS CONNECTED FOR PARALLEL OPERATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при синхронизации по фазе подключаемых на параллельную работу генераторов, поскольку подключение их на общую нагрузку при наличии сдвига фаз при равенстве частот и амплитуд создает активные уравнительные токи. Необходимость в параллельной работе возникает при переменном характере нагрузки, а также для повышения надежности электроснабжения потребителей. Идеальные условия для включения генераторов на параллельную работу (точная синхронизация) - это равенство частоты, напряжения, порядка чередования фаз и углов фазового сдвига на каждом генераторе. Коммутация на сборную шину производится после входа этих параметров в предварительно заданную зону уставок - окно синхронизации. Включение на параллельную работу без точного соблюдения перечисленных условий (грубая синхронзация) сопровождается сильными толчками момента и бросками тока.
Известно реле синхронизации, предназначенное для преобразования угла сдвига фазы между напряжением сети и напряжением генератора в постоянное напряжение [патент на изобретение Российской Федерации №2222088, кл. 7 H02J 3/40, БИПМ №2, 2004], содержащее измерительный преобразователь, первый и второй входы которого являются входами для подключения сигналов сети и генератора, последовательно соединенные сумматор, компаратор и исполнительный элемент, а также первый, второй и третий блоки усреднения и формирователь разностного сигнала, при этом вход первого блока усреднения и формирователя разностного сигнала соединены с выходом измерительного преобразователя, первый выход блока усреднения и формирователя разностного сигнала соединены с первым входом сумматора, второй выход - с входом второго блока усреднения и формирователя разностного сигнала, первый выход которого соединен со вторым входом сумматора, а второй выход - с входом третьего блока усреднения и формирователем разностного сигнала, первый выход которого соединен с третьим входом сумматора, при этом каждый из первого, второго и третьего блоков усреднения и формирователя разностного сигнала выполнен в виде последовательно соединенных блока вычитания, первый вход которого является входом блока усреднения и формирователя разностного сигнала, сумматора и фильтра - усреднителя, выход которого является первым выходом блока усреднения и формирователя и соединен со вторыми входами сумматора и блока вычитания, выход которого является вторым выходом блока усреднения, формирователя разностного сигнала.
Недостатком данного реле синхронизации по фазе подключаемых на параллельную работу генераторов является низкая точность измерения разности фаз.
Известно реле разности фаз, являющееся наиболее близким техническим решением к заявляемому (прототипом) [патент на изобретение Российской Федерации №2222087, кл. 7 H02J 3/40, БИПМ №2, 2004], содержащее сумматор и первый компаратор, а также второй компаратор, вход которого является входом для подключения напряжения внешнего генератора, первый и второй элементы И, первые входы которых соединены с выходом второго компаратора, реверсивный счетчик, входы сложения и вычитания которого соединены с выходами соответственно первого и второго элементов И, блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, а выход соединен с первым входом сумматора, первый нерекурсивный фильтр, информационный вход которого соединен с выходом сумматора, а выход соединен со вторыми входами сумматора и блока вычитания, второй нерекурсивный фильтр, информационный вход которого соединен с выходом блока вычитания, а выход является выходом для подключения сигнала, характеризующего скорость изменения разности фаз, третий и четвертый компараторы, первые входы которых соединены с выходом первого нерекурсивного фильтра, а вторые входы являются входами задания порогов срабатывания реле разности фаз, первый и второй исполнительные элементы, входы которых соединены с выходами соответственно третьего и четвертого компараторов, последовательно соединенные формирователь короткого импульса по переднему фронту, вход которого соединен с выходом первого компаратора, и первый элемент задержки, вход первого компаратора является входом для подключения напряжения сети, выход формирователя короткого импульса по переднему фронту соединен со вторым входом второго элемента И, выход первого элемента задержки соединен со вторым входом первого элемента И, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен с третьими входами первого и второго элементов И, последовательно соединенные формирователь короткого импульса по заднему фронту, вход которого соединен с выходом первого компаратора, второй элемент задержки и элемент ИЛИ, выход формирователя короткого импульса по заднему фронту соединен с управляющими входами первого и второго нерекурсивных фильтров, выход элемента ИЛИ соединен с входом установки в ноль реверсивного счетчика, одновибратор, выход которого соединен с входом запуска генератора тактовых импульсов, со вторым входом элемента ИЛИ и с входами установки в ноль первого, второю нерекурсивных фильтров.
Недостатком данного реле разности фаз при синхронизации по фазе подключаемых на параллельную работу генераторов является низкая точность измерения разности фаз вследствие того, что если определять разность фаз после измерения фазы каждого из синхронизируемых в отдельности
φ2-φ1,
1
2
где φ - фаза основного генератора, φ - фаза синхронизируемого (подключаемого) генератора, то абсолютная погрешность рассинхронизации в этом случае в соответствии [Левшина B.C., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. - 1983. - 320 с.]
Задачей изобретения является повышение точности синхронизации по фазе подключаемых на параллельную работу генераторов за счет изменения последовательности преобразования входных сигналов (разность и детектирования амплитуды), что позволяет повысить точность определения рассогласования фаз подключаемых на параллельную работу генераторов и, как следствие, повысить точность синхронизации данных параметров бортового сетевого напряжения в два раза.
Решение задачи достигается тем, что в реле разности фаз при синхронизации по фазе подключаемых на параллельную работу генераторов, содержащем блок вычитания, три компаратора, два исполнительных элемента, входы которых соединены с выходами первого и второго компараторов, одновибратор, элемент задержки, дополнительно введены дифференциатор, интегратор, умножитель, делитель, инвертор, и информационные входы первого и второго компараторов объединены и подключены к выходу делителя, первый вход которого через элемент задержки соединен с выходом блока вычитания, оба входа блока вычитания подключены к входам реле разности фаз, входы опорного напряжения компараторов подключены к соответствующим входам задания уставок реле разности фаз, а входы синхронизации первого и второго компараторов объединены и через одновибратор и третий компаратор соединены с вторым входом блока вычитания, а также с входом интегратора, дифференциатора, выход интегратора и дифференциатора подключены к входам умножителя, выход которого через инвертор и блок извлечения корня соединены со вторым входом делителя.
0
1
2
1
2
0
В соответствии с предлагаемым устройством для определения условий измерений при рассогласовании фаз при равенстве амплитуд A=А=А и частот ω=ω=ω. При этом
,
φ
где δ - рассинхронизация фаз.
Для малых значений рассинхронизации фаз данное выражение может быть преобразовано к виду
Условие малых значений рассинхронизации фаз может быть определено из уравнения
sinx=x,
которое имеет приблизительное решение
φ
Для определения величины полученной разности фаз δ по выражению (2) можно использовать операции дифференцирования и интегрирования, т.е.
и
Перемножив полученные выражения (4) и (5), проинвертировав полученный результат, и с дальнейшим извлечением квадратного корня получаем выражение
Разделив выражение (2) на выражение (6) получаем
Таким образом, погрешность рассинхронизации по фазе определяется выражением 7. Сравнивая погрешности, полученные в выражении 2 и 7, можно утверждать, что изменение последовательности преобразования сигнала (разность и выделение частоты) позволяет повысить точность синхронизации бортового сетевого напряжения, поскольку измерения частоты разности переменного напряжения в отличие от выделения разности измеренных значений частот осуществляется не дважды, а только один раз.
Реализовав в виде алгоритма в компьютере или в виде структуры устройства в соответствии с выражением (7), можно определить более точно рассинхронизацию фаз подключаемых на параллельную работу двух генераторов, поскольку измерения фазы разности переменного напряжения в отличие от выделения разности измеренных значений фазы осуществляется не дважды, а только один раз, то погрешность в этом случае в два раза меньше.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".
Преимущество предлагаемого устройства заключается в повышенной точности измерения рассогласования фаз. Повышение точности измерения рассогласования фаз достигается как за счет изменения порядка операции детектирования и определения разности на переменном напряжении, так и за счет повышения точности детектирования путем его математической реализации.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства для синхронизации по фазе подключаемых на параллельную работу генераторов, а фиг.2 поясняет формирование импульсов синхронизации первого и второго компараторов.
1
2
3
Устройство для синхронизации по фазе подключаемых на параллельную работу генераторов (фиг.1) содержит блок вычитания 1, дифференциатор 2, интегратор 3, умножитель 4, инвертор И 5, блок извлечения корня 6, элемент задержки 7, делитель 8, два синхронизированных компаратора К 9, К 10, два исполнительных элемента 11, 12, третий компаратор К 13 и одновибратор 14.
Входы реле разности фаз подключены к входам блока вычитания 1, второй вход которого соединен также с входом дифференциатора 2 и интегратора 3, а выход блока вычитания 1 соединен через элемент задержки 7 с первым входом делителя 8. Выходы дифференциатора 2 и интегратора 3 соединены с входами умножителя 4, выход которого через инвертор 5 и блок извлечения корня 6 соединен со вторым входом делителя 8. Выход делителя 8 соединен с информационными входами первого и второго компараторов 9, 10, опорные входы которых соединены с входами задания уставок реле разности фаз. Выходы первого и второго компараторов 9, 10 соединены с входами соответствующего исполнительного элемента 11, 12. Второй вход реле разности фаз через третий компаратор 13 и одновибратор 14 соединен с входами синхронизации первого и второго компараторов 9, 10.
Устройство работает следующим образом.
φ
При подаче на входы устройства напряжения синхронизируемых генераторов на выходе блока вычитания 1 сформируется разность входных напряжений, которая поступит на дифференциатор 2 и интегратор 3, а через элемент задержки 7 на первый вход делителя 8. Напряжение с выходов дифференциатора 2 и интегратора 3 перемножается умножителем 4, а после инвертирования на инверторе 5 и извлечения блоке извлечения корня 6 поступает на второй вход делителя 8, на выходе которого формируется напряжение, равное δ. Данное напряжение в зависимости от знака рассогласования может быть как отрицательным, так и положительным, поэтому для того чтобы соответствующий исполнительный элемент 11 и 12 выполнил действия по согласованию фаз синхронизируемых генераторов, компаратор 9 и 10 определяет направления этого действия по импульсу синхронизации, который формируется третьим компаратором 13 и одновибратором 14. Причем длительность импульса τ, формируемого одновибратором 14, можно выбрать на порядок меньше соответствующей длительности линейного участка синусоиды ведущего генератора (фиг.2), т.е. на порядок меньше интервала, который удовлетворяет условию (3) для частоты ведущего генератора 50 Гц
Таким образом, изменение последовательности преобразования сигнала (разность и выделение фазы) позволяет повысить точность синхронизации данного параметра бортового сетевого напряжения в два раза.
Следует отметить, что предложенное устройство может быть реализовано в виде одного CHIPa, в котором реализуется предлагаемый алгоритм детектирования.