реле разности частот подключаемых на параллельную работу генераторов

Формула изобретения

Реле разности частот подключаемых на параллельную работу генераторов, содержащее блок вычитания, два компаратора, информационные входы которых соединены, а входы уставок подключены к входам задания опорного напряжения устройства, два исполнительных элемента, инвертор, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены третий компаратор и одновибратор, элемент задержки, два дифференциатора, интегратор, умножитель, блок извлечения корня и устройство деления, причем входы блока вычитания соединены с входами реле разности частот, а выход подключен через элемент задержки к входу делимого устройства деления, ко второму входу блока вычитания подключены также вход первого дифференциатора и вход интегратора, выходы которых соединены со входами умножителя, выход последнего соединен через инвертор и блок извлечения корня со входом делителя устройства деления, выход которого соединен через второй дифференциатор с информационными входами компараторов, выходы "больше" и "меньше" которых соединены соответственно с входами исполнительных элементов, а входы синхронизации через одновибратор и третий компаратор соединены со вторым входом блока вычитания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при синхронизации по частоте 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 реле разности частот [Патент на изобретение Российской Федерации № 2222086, кл. 7 H02J 3/40, БИПМ № 2, 2004], содержащее алгебраический сумматор, умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый компаратор и первый и второй исполнительные элементы, а также последовательно соединенные первый ограничитель, вход которого является входом для подключения датчика напряжения сети, первый элемент И и первый измеритель периода частоты, выход которого соединен с первым входом умножителя на постоянный коэффициент, выход которого соединен с первым входом первого компаратора, второй элемент И, первый вход которого соединен с выходом "меньше" первого компаратора, а выход соединен с входом первого исполнительного элемента, последовательно соединенные второй ограничитель, вход которого является входом для подключения датчика напряжения генератора, третий элемент И и второй измеритель периода частоты, выход которого соединен с суммирующим входом алгебраического сумматора, вычитающий вход которого соединен с выходом первого измерителя периода частоты, второй компаратор, первый вход которого через инвертор соединен с выходом умножителя на постоянный коэффициент, второй вход второго компаратора соединен со вторым входом первого компаратора и с выходом алгебраического сумматора, а выход "больше" второго компаратора соединен с первым входом четвертого элемента И, выход которого соединен с входом второго исполнительного элемента, первый и второй формирователи короткого импульса по заднему фронту, входы которых соединены с выходами первого и второго ограничителей соответственно, а выходы соединены с входами управления первого и второго измерителей периода частоты соответственно, генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со вторыми входами первого и третьего элементов И, триггер, выход которого соединен со вторыми входами второго и четвертого элементов И, элемент задержки, выход которого соединен с S-входом триггера, и одновибратор, выход которого соединен с входом запуска генератора тактовых импульсов, с входами установки в ноль, первого и второго измерителей периода частоты, с R-входом триггера и с входом элемента задержки, а вход одновибратора соединен с клеммой для подключения сигнала запуска реле.

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

Известно реле разности частот, являющееся наиболее близким техническим решением к заявляемому (прототипом) [Патент на изобретение Российской Федерации № 2222089, кл. 7 H02J 3/40, БИПМ № 2, 2004], содержащее алгебраический сумматор, умножитель на постоянный коэффициент, инвертор, первый компаратор и первый и второй исполнительные элементы, а также измеритель частоты входного сигнала, выход которого соединен с входом умножителя и с входом сложения алгебраического сумматора, измеритель частоты синхронизируемого сигнала, выход которого соединен с входом вычитания алгебраического сумматора (блок вычитания), а также второй компаратор, первый вход которого соединен с первым входом первого компаратора и с выходом алгебраического сумматора, второй вход второго компаратора соединен с выходом инвертора, вход которого соединен со вторым входом первого компаратора и с выходом умножителя на постоянный коэффициент, первый и второй управляемые формирователи импульсов, блок выделения модуля и первый и второй элементы И, при этом вход запуска первого формирователя импульсов соединен с выходом "больше" первого компаратора и с прямым входом первого элемента И, инверсный вход которого соединен с выходом первого управляемого формирователя импульсов, а выход первого элемента И соединен с входом первого исполнительного элемента, вход запуска второго управляемого формирователя импульсов соединен с выходом "меньше" второго компаратора и с прямым входом второго элемента И, инверсный вход которого соединен с выходом второго управляемого формирователя импульсов, а выход второго элемента И соединен с входом второго исполнительного элемента, вход блока выделения модуля соединен с выходом алгебраического сумматора, а выход блока выходного модуля - с управляющими выходами первого и второго управляемых формирователей импульсов, измеритель частоты входного и синхронизируемого сигналов обеспечивают преобразование соответствующих входных сигналов f₀ и f₁ в соответствии с математическими выражениями U₀=1/f ₀, U₁=1/f₁, где f₀ и f ₁ частоты сигналов на выходах измерительной частоты входного и синхронизируемого сигналов соответственно U₀ и U ₁ - сигналы на выходах измерителей частоты входного и сихронизируемого сигналов соответственно.

Недостатком данного реле разности частот при синхронизации по частоте подключаемых на параллельную работу генераторов является низкая точность измерения разности частот вследствие того, что если определять разность частот после измерения частоты каждого из синхронизируемых в отдельности

₂- ₁,

где ₁ - частота основного генератора, ₂ - частота синхронизируемого (подключаемого) генератора, то абсолютная погрешность рассинхронизации в этом случае в соответствии [Левшина Е.С., 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 частоте подключаемых на параллельную работу генераторов за счет изменения последовательности преобразования входных сигналов (разность и детектирование частоты), что позволяет повысить точность определения рассогласования частоты 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 частот при синхронизации по частоте подключаемых на параллельную работу генераторов, которое содержит блок вычитания, два компаратора, информационные входы которых соединены, а входы уставок подключены к входам задания опорного напряжения устройства, и два исполнительных элемента, инвертор, дополнительно введены третий компаратор и одновибратор, элемент задержки, два дифференциатора, интегратор, умножитель, блок извлечения корня и устройство деления, причем входы блока вычитания соединены с входами реле разности частот, а выход подключен через элемент задержки к входу делимого устройства деления, ко второму входу блока вычитания подключены также вход первого дифференциатора и вход интегратора, выходы которых соединены со входами умножителя, выход последнего соединен через инвертор и блок извлечения корня со входом делителя устройства деления, выход которого соединен через второй дифференциатор с информационными входами компараторов, выходы "больше" и "меньше" которых соединены соответственно с входами исполнительных элементов, а входы синхронизации через одновибратор и третий компаратор соединены со вторым входом блока вычитания.

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

В соответствии с предлагаемым устройством для определения условий измерений при рассогласовании частоты при А₀ =А₁=А₂, ₁= ₂=0. В случае включения на параллельную работу при неравенстве частот один из агрегатов будет иметь некоторый запас избыточной кинетической энергии, под действием которой его ротор начнет опережать ротор другого и, таким образом, будет воспринимать уравнительную активную мощность, определяемую значениями тока и ЭДС в переходном режиме. При этом

.

Учтя, что для малых значений аргумента функция синуса совпадает с величиной аргумента, получаем

Поскольку

и

то

Проинвертировав напряжение, полученное в соответствии с выражением (5), и извлекая корень квадратный, получаем

Разделив выражение 2 на выражение 6, получаем

Взяв производную по времени от последнего выражения, получаем

Таким образом, погрешность рассинхронизации по частоте определяется выражением 7.

Реализовав результат, полученный в выражении (7), в виде алгоритма в компьютере или в виде структуры устройства в соответствии с выражением

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

При этом условие малых значений рассинхронизации частот может быть определено из уравнения

sinx=х,

которое имеет приблизительное решение

Сравнивая погрешности, полученные в выражениях 1 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.

Повышение точности измерения рассогласования частоты достигается не только за счет изменения порядка операции детектирования и определения разности на переменном напряжении, но и за счет повышения точности детектирования путем его математической реализации.

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

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для синхронизации по частоте подключаемых на параллельную работу генераторов, а фиг.2 поясняет формирование импульсов синхронизации первого и второго компараторов.

Устройство для синхронизации по частоте подключаемых на параллельную работу генераторов (фиг.1) содержит блок вычитания 1, устройство деления 2, первый дифференциатор 3, интегратор 4, умножитель 5, инвертор 6, блок извлечения корня 7, элемент задержки 8, второй дифференциатор 9, два синхронизируемых компаратора 10, 11, два исполнительных элемента 12, 13, третий компаратор 14 и одновибратор 15.

Входы реле разности частот подключены к входам блока вычитания 1, выход которого через элемент задержки 8 соединен с входом делимого устройства деления 2, а второй вход блока вычитания 1 подключен также и к входу первого дифференциатора 3 и интегратора 4. Выход дифференциатора 3 и интегратора 4 подключены к входам умножителя 5, выход которого через инвертор 6 и блок извлечения корня 7 подключен ко входу делителя устройства деления 2. Выход устройства деления 2 через второй дифференциатор 9 подключен к информационным входам первого и второго компараторов 10, 11. Входы уставки компараторов 10, 11 подключены к входам задания опорного напряжения реле разности частот, а выходы к входам соответствующих исполнительных элементов 12, 13. Входы синхронизации первого и второго компараторов 10, 11 через третий компаратор 14 и одновибратор 15 соединены со вторым входом реле разности частот.

Устройство по предлагаемому способу работает следующим образом.

При подаче на входы реле разности частот напряжения синхронизируемых генераторов на выходе устройства вычитания 1 сформируется разность входных напряжений, которая через элемент задержки сигнала 8 поступает на вход делимого устройства деления 2. На вход делителя устройства деления 2 поступает напряжение, которое формируется путем перемножения на умножителе 5 продифференцированного на первом дифференциаторе 3 и проинтегрированного на интеграторе 4 напряжения со второго входа реле разности частот. Напряжение на выходе умножителя 5 инвертируется инвертором 6 и из него извлекается квадратный корень блоком извлечения корня 7. Полученное при этом напряжение подается на вход делителя устройства деления 2. При этом время задержки элемента 8 определяется задержкой времени, которая необходима для формирования сигналов на вход делителя устройства деления 2, так чтобы сигналы на делитель приходили синхронно. Продифференцированное на втором дифференциаторе 9 выходное напряжение делителя 2 поступает на информационные входы первого и второго компараторов 10, 11.

При этом на информационном входе первого и второго компараторов 10, 11 формируется в соответствии с выражением (7) напряжение, равное . Данное напряжение в зависимости от знака рассогласования частот синхронизируемых генераторов может быть как отрицательным, так и положительным, поэтому для того, чтобы соответствующий исполнительный элемент 12 и 13' выполнил действия по согласованию частот синхронизируемых генераторов, компаратор 10 и 11 определяет направления этого действия по импульсу синхронизации, который формируется третьим компаратором 14 и одновибратором 15.

Причем длительность импульса , формируемого одновибратором 15, должна на порядок быть меньше соответствующей длительности линейного участка синусоиды ведущего генератора (фиг.2), т.е. удовлетворять условию (8) для частоты ведущего генератора 50 Гц

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.