реле разности амплитуд подключаемых на параллельную работу генераторов

Формула изобретения

Реле разности амплитуд подключаемых на параллельную работу генераторов, содержащее первый блок вычитания, первый компаратор с первым исполнительным элементом на выходе и амплитудный детектор, отличающееся тем, что в реле разности амплитуд дополнительно введены второй компаратор и второй исполнительный элемент, а амплитудный детектор содержит дифференциатор, интегратор, два элемента задержки, два умножителя, два устройства деления, второй блок вычитания и блок извлечения корня, причем входы первого блока вычитания соединены с входами реле разности амплитуд, а выход соединен с первым входом амплитудного детектора, который через первый элемент задержки соединен с входом делимого первого устройства деления, второй вход амплитудного детектора соединен с вторым входом первого блока вычитания, который соединен с входом дифференциатора, интегратора и с обоими входами первого умножителя, выход последнего соединен через второй элемент задержки с первым входом второго блока вычитания, а выход дифференциатора и интегратора подключены к входам второго умножителя, выход которого соединен с вторым входом второго блока вычитания, выход последнего соединен через блок извлечения корня с входом делителя второго устройства деления, вход делимого которого соединен с вторым входом амплитудного детектора, а выход к входу делителя первого устройства деления, выход первого устройства деления является выходом амплитудного детектора и подключен к информационным входам первого и второго компараторов, входы опорного напряжения которых подключены к входам уставок реле разности амплитуд, выход второго компаратора подключен к входу второго исполнительного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при синхронизации по амплитуде подключаемых на параллельную работу генераторов, под которой понимается подключение их на общую нагрузку. 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 синхронизация) сопровождается сильными толчками момента и бросками тока.

Известно устройство контроля разности напряжения в устройстве автоматической синхронизации типа УСГ-1П (реле разности амплитуд) [В.Н.Константинов. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. Л.: Судостроение. 1972. Рис.4.1 стр.178 (блок-схема) и Рис.4.2 стр.180-181 (принципиальная схема)], которое может быть использовано для синхронизации по амплитуде подключаемых на параллельную работу генераторов и содержит два детектора с фильтром на выходе (функциональный блок I), выходы фильтров подключены к входам блока вычитания, реализованного в виде измерительного моста с выпрямителем на выходе, выход последнего соединен с входом компаратора (транзистор ПП1, включенный по схеме с общим эмиттером), выход которого подключен к исполнительному элементу.

Недостатком данного реле разности амплитуд при синхронизации по амплитуде подключаемых на параллельную работу генераторов является низкая точность измерения разности амплитуд.

Известно устройство контроля разности напряжения в устройстве автоматической синхронизации типа УСГ-1 (реле разности амплитуд), являющееся наиболее близким техническим решением к заявляемому (прототипом) [В.Н.Константинов. Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок. Л.: Судостроение. 1972. Рис.4.1 стр.178 (блок-схема) и Рис.4.3 стр.182-183 (принципиальная схема)], которое может быть использовано для синхронизации по амплитуде подключаемых на параллельную работу генераторов и содержит два детектора с фильтром на выходе каждого (функциональный блок I), выходы фильтров подключены к входам блока вычитания, реализованного в виде измерительного моста с выпрямителем на выходе, выход последнего соединен с входом компаратора (транзистор ПП1, включенный по схеме с общим эмиттером), выход которого подключен к исполнительному элементу.

Недостаток данного реле разности амплитуд для синхронизации по амплитуде подключаемых на параллельную работу генераторов определяется тем, что если определять разность амплитуд напряжения на выходе синхронизируемых генераторов после детектирования амплитуды каждого из них в отдельности

A₀₂ -A₀₁,

где A₀₁ - амплитуда опорного генератора, A₀₂ - амплитуда синхронизируемого (подключаемого) генератора, то абсолютная погрешность рассинхронизации в соответствии [Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. - 1983. - 320 с.]

При этом следует отметить, что наличие после детекторов фильтров приводит также к снижению общей погрешности измерения амплитуд вследствие погрешности задания конденсаторов, входящих в состав фильтра. Кроме этого наличие в фильтре конденсаторов снижает быстродействие фильтров, что приводит также к появлению динамической погрешности измерения амплитуд.

Задачей изобретения является повышение точности синхронизации по амплитуде подключаемых на параллельную работу генераторов за счет изменения последовательности преобразования входных сигналов (разность и детектирование амплитуды) и изменения принципа детектирования. Это позволяет повысить точность определения рассогласования амплитуд 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 амплитуд подключаемых на параллельную работу генераторов, содержащем первый блок вычитания, первый компаратор с первым исполнительным элементом на выходе и амплитудный детектор, дополнительно введены второй компаратор и второй исполнительный элемент, а амплитудный детектор содержит дифференциатор, интегратор, два элемента задержки, два умножителя, два устройства деления, второй блок вычитания и блок извлечения корня, причем входы первого блока вычитания соединены с входами реле разности амплитуд, а выход соединен с первым входом амплитудного детектора, который через первый элемент задержки соединен с входом делимого первого устройства деления, второй вход амплитудного детектора соединен со вторым входом первого блока вычитания, который соединен с входом дифференциатора, интегратора и с обоими входами первого умножителя, выход последнего соединен через второй элемент задержки с первым входом второго блока вычитания, а выход дифференциатора и интегратора подключены к входам второго умножителя, выход которого соединен со вторым входом второго блока вычитания, выход последнего соединен через блок извлечения корня с входом делителя второго устройства деления, вход делимого которого соединен со вторым входом амплитудного детектора, а выход к входу делителя первого устройства деления, выход первого устройства деления является выходом амплитудного детектора и подключен к информационным входам первого и второго компараторов, входы опорного напряжения которых подключены к входам уставок реле разности амплитуд, выход второго компаратора подключен к входу второго исполнительного элемента.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволяет установить соответствие его критерию "новизна".

В предлагаемом устройстве для определения условий измерений рассогласования амплитуд при ₁= ₂.=0, ₁= ₂.= ₀ в случае включения генераторов на параллельную работу учтем, что при неравенстве амплитуд рассогласование амплитуд может быть представлено

Продетектировав полученную в выражении 2 разность напряжений, можно определить величину рассинхронизации амплитуд генераторов с погрешностью, которая определяется погрешностью операций детектирования и измерения _A. Поскольку напряжение рассинхронизации при точной синхронизации имеет малую величину, то в соответствии с выражением (2) операцию детектирования можно заменить на операцию деления на нормированную синусоиду. Для формирования нормированной синусоиды осуществим детектирование амплитуды опорного генератора, используя при этом известную из тригонометрии формулу

Первое слагаемое данного выражения можно получить путем перемножения выходного сигнала опорного генератора. Для формирования второго слагаемого данного выражения продифференцируем выходной сигнал опорного генератора. При этом получим

d[A₀sin( t)]/dt=A₀ cos( t).

А после интегрирования выходного сигнал опорного генератора получаем

Перемножив данные выражения, получаем

Подставив полученный результат из 4, получаем в соответствии с выражением 3 квадрат амплитуды опорного генератора . Если извлечь квадратный корень из полученного результата и разделить на полученный результат выходное напряжение опорного генератора, то в результате получится нормированная синусоида. Разделив выражение 2 на нормированную синусоиду, получаем _A. Таким образом, используя высокоточные математические операции, можно осуществить детектирование _A, не используя стандартных детекторов, которые характеризуются сами по себе низким качеством детектирования (большая инструментальная погрешность).

Реализовав полученный алгоритм в компьютере или в виде структуры устройства в соответствии с выражением

можно определить более точно рассинхронизацию амплитуд подключаемых на параллельную работу двух генераторов.

Причем, сравнивая погрешности, полученные в выражении 4, можно утверждать, что погрешность определения амплитуды рассинхронизации генераторов при одинаковых измерителях в предлагаемом случае в два раза меньше, поскольку детектирование амплитуды разности переменного напряжения в отличие от выделения разности детектированных значений амплитуды осуществляется не дважды, а только один раз.

Преимущество предлагаемого устройства заключается в повышенной точности измерения рассогласования амплитуд. Повышение точности измерения рассогласования амплитуды достигается как за счет изменения порядка операции детектирования и определения разности на переменном напряжении, так и за счет повышения точности детектирования путем математической реализации данной процедуры.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для синхронизации по амплитуде подключаемых на параллельную работу генераторов.

Устройство для синхронизации по амплитуде подключаемых на параллельную работу генераторов (фиг.1) содержит два блока вычитания 1, 2, дифференциатор 3 и интегратор 4, а также два умножителя 5, 6 и два элемента задержки 7, 8, блок извлечения корня 9, два устройства деления 10, 11, два компаратора 12, 13, два исполнительных элемента 14, 15.

Входы устройства (выходы опорного и синхронизируемого генераторов) подключены к входам первого блока вычитания 1, выход которого соединен через первый элемент задержки 7 с входом делимого первого устройства деления 10. Второй вход первого блока вычитания также подключен к входу дифференциатора 3, интегратора 4 и обоим входам первого умножителя 5, выход которого через второй элемент задержки 8 соединен с первым входом второго блока вычитания 2. Выходы дифференциатора 3 и интегратора 4 подключены к входам второго умножителя 6. Выход умножителя 6 соединен со вторым входом второго блока вычитания 2. Выход второго блока вычитания 2 через блок извлечения корня 9 соединен с входом делителя второго устройства деления 11, ко входу делимого которого подключен второй вход первого блока вычитания 1. Выход второго делителя 11 соединен с входом делителя первого устройства деления 10. Выход первого устройства деления 10 соединен с информационными входами первого и второго компараторов 12, 13, входы уставки которых подключены к входам задания соответствующего опорного напряжения U_оп1 и U_оп2. Выходы первого и второго компаратора 12, 13 соединены соответственно с входами исполнительных элементов 14, 15.

Устройство для синхронизации по амплитуде подключаемых на параллельную работу генераторов работает следующим образом.

Входные синусоидальные напряжения U _вх1(t) и U_вх2(f), отличающиеся друг от друга по амплитуде, поступают на входы первого блока вычитания 1, на выходе которого формируется разность этих напряжений U. Одновременно дифференцируется и интегрируется на дифференциаторе 3 и интеграторе 4 напряжение опорного генератора, которое также перемножается на первом умножителе 5. Напряжения с выхода дифференциатора 3 и интегратора 4 перемножаются друг на друга на втором умножителе 6 и поступают на первый вход второго вычитателя 2, на второй вход которого синхронно поступает перемноженное на умножителе 5 само на себя выходное напряжение первого опорного генератора. Синхронность обеспечивается за счет задержки данного сигнала на втором элементе задержки 8. При этом на выходе вычитателя 2 формируется квадрат амплитуды напряжения опорного генератора. После извлечения корня квадратного из полученного результата в блоке извлечения корня 9 осуществляется деление на втором устройстве деления 11 напряжения опорного генератора на полученную величину амплитуды, т.е. получается нормированное синусоидальное напряжение. Разделив в первом устройстве деления 10 выходное напряжение с выхода первого вычитателя 1 ( U= _Asin( t)), задержанное на первом элементе задержки сигнала 7, на полученное нормированное напряжение, имеем напряжение, пропорциональное величине рассогласования синхронизируемых генераторов _A.

Напряжение, пропорциональное величине рассогласования синхронизируемых генераторов _A, поступает на информационные входы первого и второго компараторов 12, 13. Данное напряжение в зависимости от знака рассогласования амплитуд синхронизируемых генераторов может быть как отрицательным, так и положительным, поэтому для того, чтобы соответствующий исполнительный элемент 14 и 15 выполнил действия по согласованию амплитуд синхронизируемых генераторов, компаратор 12 и 13 определяет направления этого действия.

Таким образом, изменение последовательности преобразования сигнала (разность и выделение частоты) 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.