Устройство для сравнения фаз двух электрических величин
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик (n>94??82 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 17.11 ° 80(21) 3006579/18-21
tent aa. Кл.
G 01 R 25/00 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет
Государственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий„ (33) УДК 621. 317. .772(088.8) Опубликовано 300782. Бюллетень ¹28
Дата опубликования описания 30.07.82 (72) Автор изобретения
;4. ЖФЗФ о ..л ТЕНТН0 1а,,"„„;,„„,,; 1В
ЙИВЛИОТ1> к,к
Ю.Я.Лямец
Чебоксарский электроаппаратный завод и Чувашский государственный университет им. И.Н.Ульянова (71) Заявители (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СРАВНЕНИЯ ФАЗ ДВУХ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Изобретение относится к резтейной защите и автоматизации электрически>с систем с помощью сравнения фаз сигналов и макет быть использовано в реле направленитт >лощности, реле сопротивления и други- фазочувствительных реле..
Известно устройство для сравнения фаз дву с электрических величин, выполненное по способу сравнения времени совпадения их знаков с временем несовпаден ля, содер><ащее блок совпадения, интегратор, двусторонний ограничитель выходного напряжения ин-. тегратора и пороговый элемент, выполненный на операционном усилителе (1) ° .Устройство, садер><ащее только один интегратор, не различает совйадение поло>хительных знаков сравниваемых величин от совпадения их отрицательных знаков. Вследствие этого оно имеет недостаточно высокую помехоустойчивость, так как может сработать ложно при наличии апериодической составляющей хотя бы в одной из величин.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для сравнения фаз двух электрических величин, содержащее ЗО блоки совпадения положительных и отрицательных знаков сравниваемых еличин, два интегратора .и два двусторонних ограничителя напряжения, подключенных к выходам интеграторов, между выходами которых и пороговым элементом включается аналоговый сумматор ?) .
Редостатком устройства является его сложность, обусловленная необходимостью форлтирования одинаковых знаков у напряжений, поступающих на входы сумматора.
Цель изобретения - упрощение его конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для сравнения фаэ двух электрических величин, содержатдем блоки совпадения положительных и отрицательных знаков, два интегратора, входы которых подключены к выходам блоков совпадения, а выходы - к двусторонним ограничителям напряжения, и операционный усилитель, между выходом первого интегратора и выводом источника питания и между выходом второго интегратора и выходом операционного усилителя включены делители напряжения, к средним выводам которых подключе947782 ны соответствуюцие входы операционного усилителя, при этом третьи выводы интеграторов подключены к разным пол>>сам источника питания.
На фиг. 1 приведена структурнопринципиальная схема устройстваг на фиг, 2 и 3 - временные диаграммы сигналов на выходах элементов структурной схемы (фиг.2 относится к нерабочей зоне углов, а фиг. 3 к рабочей) . устройство для сравнения фаз двух электрических величин содержит блоки совпадения положительных и отрицательных знаков, которые состоят иэ усилителей-ограничителей 1 и 2, охваченных взаимной положительной обратной связью, миниселектора 3 и максиселектора 4„ интеграторы 5 и б, двусторонние ограничители 7 и 8 напряжения, пороговый элемент 9 и источник 10 питания. Выходы селекторов 3 и 4 подключены через резисторы 11 и 12 к источнику питания, Ограничители 7 и 8 напряжения состоят иэ диодов 13-1б, вклкченных между выходами. интеграторов 5 и б и положительным и отрицательным выводами источника 10 питания. Пороговый элемент 9 вггполнен на операционном усилителе 17 и двух делителях напряжения, первый иэ которых состоит из резисторов 18 и 19, а второй - 20 и 21. Усилители-ограничители 1 и 2 выполнены по схеме, позволяющей получать на выходе нормированные сигналы, и состоят из операционных усилителей 22 и 23 и резисторов 24-27 взаимной полоиительной обратной связи.
Пороговый элемент 9 выполнен таким образом, что он реагирует на раз ностное напряжение
Ucl U9 и относительно этого напряжения обладает порогом срабатывания U
Сопротивления r -j. резисторов.
18-21 подбираются из условия
Л. зв Ь. т г, Г 1 Г4 при котором
Ucp l(Udg- Uc) в
08 + (0д - Ue), где У « напряжение между точкой источника 10 питания и некоторой фиксированной точкой (неважно, относительно какой точки будут определены напряжения, поскольку в формулы входит их разность).
Двухсторонние ограничители 7 и 8 напряжения не позволяют напряжениям на выходах интеграторов 5 и б выходить за пределы: минимальный . 0г>.,= Ug - Up и миниглальный U = Up + Ug где Ux u Uc - напряжения между точкой е делителя 10 и фиксированной точкой, Ug - прямое падение напряжения на одногл иэ диодов 13-16 ограничите15 лей 7 и 8 напряжения.
Операционные усилители 22 и 23; моГут находиться только в состоянии насыщения, чему способствует охватывающая их положительная обратная
20 связь, устанавливающая их в такое положение, при котором напряжения на их выходах имеют разные знаки.
Изменить это положение могут только входные сигналы.
25 устройство работает следующим образом, В режиме, когда на него еще не поданы входные сигналы, напряжения разных знаков, поступающие на входы
30 мини- и максиселекторов 3 и 4, вызывают торможение устройства. Происходит зто потому, что отрицательное напряжение с одного из входов миниселектора 3 поступает на его выход и, воздействуя на интегратор 5, понижает его выходное напряжение U до минимально возможного предела
U, а положительное напряжение с одного из входов максиселектора 4, 40 поступая на его выход и воздействуя гна интегратор б, повышает его.выходное напряжение 0 б до г гаксиг галь но возможного предела Upg.
Разностное напряжение в данном случае принимает максимально возможное отрицательное значение
65 ния %р.
-(0 - q) (U что означает несрабатывание устройЯ ства.
Порог Бери пределы 0 и Уг> выбираются с таким расчетом, чтобы для срабатывания устройства было недос.таточно одного только повышения на55 пряжения Ue выхода интегратора 5, равно как и одного только понижения напряжения У8 выхода интегратора 6.
Срабатывание происходит лишь в том случае, если Пг повыаается относи60 тельно минимального значения U а U> понижается относительно максимального значения Uy, притом настолько сильно, что разность U g — Б8 становится большей порога срабатыва947782
При подаче на вход одной иэ сравниваемых величин Ц1 с амплитудой напряжения, превышающей напряжение установки на резисторе 24, всякий раз, когда U„ превысит уставку, операционный усилитель 22 будет переключаться, изменяя знак своего выходного напряжения, а следовательно, и напряжения уставки второй величины, падающего на резисторе 26. В результате операционный усилитель !О
23. начнет переключаться почти одновременно с операционным усилителем
22, так что их выходные напряжения, несмотря на работу в режиме переключения, будут по-прежнему разнополярныг»и. Напряжение на выходе интегратора 5 остается paI»IIm U a интегратор 6 — Ц>>,. и состояние порогового элемента 9 не изменяется.
Когда на входи устройства поданы обе сравниваеы>е величины П„ и У > причем их амплитуды превышают соответствующие напряжения уставок на резисторах 24 и 26, >>ожет сложиться ситуация, приводящая к срабатыванию устройства. Для этого необходимо, чтобы интервалн совпадения знаков сравниваемых величин имели достаточно большую продолжительность. Пусть есть наименьшая длительность интервала совпадения t при которой срабатывает устройство. Время йсгсоответствует разности фаз величин
П,г и U, абсолютную величину которой обозначим !Чг-1, При lЧ l< I@I-г интервал совпадения t будет больше, чем с следовательно, зоной работы устройства является область углов
- l Pr l (V < l t ai
B течение каядого периода изменения сравниваемых величин встречают- 40 ся два интервала совпадения их знаков (положительнггх и отригсательных) ..
На той части каждого интервала совпадения, где напряжения У„ и V превышают соответствующие напряжения 45 уставок на резисторах 24 и 26, напряжения на выходах операционных усилителей 22 и 23 приобрета>эт одинаковую полярность. Заметим, что взаимная положительная обратная связь 50 на резисторах 24-27 стремится изгленить такое положение и, как только одно из напряжений U„ или И > пониэится настолько, что станет меньше напряжения уставки, соответствующ>гй операционный усилитель 22 или
23 сразу же переключится, изменив к тому же полярность напряжения уставки оставшегося ойсрационного усилителя и помогая ему тем самым сохранить свое состояние.
На той части интервала совпадения положительных знаков сравниваеггых величин, где напряжения П.г и Б достаточно велики, оба выходных напря° жения операционных усилителей 22 65 на фиг. 26
l l=) г1
С СГ где сС u at — малые величины, на фиг.3а
l l=lV (+aL .+ р1с.-nt I на фиг. 3 3 - g = О.
Для большей наглядности вгэегленннх диаграим при их построении принято, что напряжения уставок на резисторах
24 к 26 несравненно меньше амплитуд величин U„ и V, вследствие чего уставки можно считать нулевыми.
При этом условии выходное напряже>гие миниселектора 3 V положительно на всем интервале совпадения полоютельных знаков величин U и П>, и 23 становятся положительными.
Поступая на входы мини- и максиселектора 3 и 4,они приводят к тому, что выходные напряжения селекторов, как U+, так и U также становятся положительного знака. Для максисе". лектора 4 это обычная полярность, стремящаяся повысить напряжение выхода интегратора 6 U g вплоть до значения Пг> . Но для миниселектора
3 это новая полярность, возможная только в указанных выше условиях.
Она приводит к постепенному повышению напряжения выхода интегратора 5 U от его глинимального уровня
Б до максимального Пд Хотя напряжение У,З повышается лишь на части интервала совпадения .положительных знаков И„ н U<, а в любое другое вреия понижается, оно тем не.менее может подняться достаточно высокопоскольку е.†.о повышение происходит с меньшей постоянной времени, чем понижение.
На той части интервала совпадения отрицательных знаков U u Бг>, где эти величины достаточно велики по абсолютному значению, оба выходных напряжения операционных усилителей
22 и 23 становятся отрицательными.
Как следствие, будут отрицательны и выходные напряжения миниселектора
3 U для которого эта полярность обычна, и максиселектора 4 U, для которого она возможна только в указанны:: условиях. В это время напряжение Гб выхода интегратора 6 UII понижается вплоть до значения UI>, а в любое другое время оно будет повышаться, но с большей постоянной времени.
Диаграммы Фиг. 2 и 3 построены для разных значений разности фаэ элемента 9 между входными величинами LI„>I LI на фиг, 2агЧ.г>) соответственно
947782 обозначенном и +, н отрицательно в остальное время, а выходное напряжение максиселектора 4 <> отрицательно на всем интервале совпадения отрицательных знаков величин U <и Ц обозначенном й,, и положительно в остальное время. Как следствие, выходное напряжение U интегратора 5 на кнтервалах С + может повышаться вплоть до предела U<>q а в остальное время оно может понижаться вплоть до предела U<>Ä . Аналогично, выходное напряжение U интегратора 6 на интервалах tt может понижаться вплоть до предела U а в остальное время оно,иожет повышаться вплоть до предела lJ<> Если разность фаэ Ч находится в нерабочей зоне углов (фиг.2 ), то напря><ение О<, возросшее эа время СС+, успевает понизиться до предела lJ раньше, чем наступит следующий ийтервал t« . Аналогично, напряжение UJJ,, понйзившееся эа время te-, успевает повыситься до предела U раньше, чеи наступит следующий интервал t<>, Образно говоря, кривая V<, не в состоянии оторваться от нйжнего предела U, à П — от верхнего предела U<>< В непосредственной близости от границы рабочей эоны (фиг.26) повышение напряжения Ue на одном интервале t<. равно его понижение за вре ля, проходящее до следующего интервала t +, а понижение напряжения Бб на одном интервале t равно его по-. С вышени>о за врем><. проходящее до следующего интервала tr Незначительное уменьшение значения J Разностное напряжение Бр пульсирует с удвоенной частотой. Оно повншаетси на интервалах совпадения (как tq, так и СС ) и понижается в остальное время. В нерабочей зоне углов (фиг.2) оно находится вблизи отрицательного значения -(U,<>y - UJ> ), а в рабочей зоне (фиг.3) - вблизи пол<.:-.;ительного значения (U<>q. — Ио.) ° 65 Когда максимальное значение напряж»ния Up поднимается до порога ИСр, элемент 9 сработает, а когда минимальное значение опустится до порога UJJ>, возвратится. Пороги БСр и U6> устанавливаются таким образом, что при разности фаз между сравниваемыми величина>ли, равной I < 6. Точки е и Е выбраны в данном случае лкшь с тем расчетои, чтобы сразу после подачи напря>кения питания, пока конденсаторы интеграторов 5 и б еще не заряжены, обеспечивалось условие Up = -(V - U ) (lJ qpò устанавливающее пороговый злеиент 9 в состояние несрабатывания независимо от полярности выходны>: напряжений селекторов 3 и 4. B предлагаемом устройстве, со><ренившем достоинства прототипа, удалось отказаться от использования сумматора и инвертора. Несмотря на функциональную сложность, устройство построено всего лишь на трех операционных усилителя>: ° Такое упрощение важно потому, что оно повышает надежность устройства и снижает его стокмость. С другой стороны, реализация устройства на иалом числе операционных усилителей снижает потребляеиый ии постоянный TQY. что особенно важно в случае его использования в качестве автономного реле направления мощности, которое на подстанциях питается оперативны>л напряжением 220 В. Положительный эффект достигнут благодаря такому построению схемы, при которои пороговый элеиент приобретает свойства триггера И<литта с дифференциальным входом и под><л>очается поэтому непосредственно к выходам интеграторов, а также за счет использования блоков совпадения с нормированныМи выходными сигналами. Формула изобретения Устройство для сравнения фаз двух электрических величин, содержащее блоки совпадения положительных и отрицательных знаков, два интегратора, 947782 10 входы которых подклвчены к выходам блоков совпадения, а выходы - к двусторонним ограничителям напряжения, и операционный усилитель, о тл и ч а.в щ е е с я тем, что, с целью его упрощения, между выходом первого интегратора и выводом источника питания и между выходом второго интегратора и выходом операционного усилителя включены делители напряжения, к средним выводам которых подключены соответствуюцие входы опеционного усилителя., при этом третьи выводы интеграторов подклпочены к разным полюсам источника питания 5 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Р155552, кл. G 01 R 25/00, 1962. 2. ораторское свидетельство СССР l0 по заявке Р 1548066/24-07, кл. 6. 01 R 25/00, 1977. 947782 а Р Йг Жк) d) Фиг Р >ар О Uy d1 а) У Фиг. Ю ВНИИПИ Заказ 5645/69 Тираж 73.7 Подписное Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул . Проектная, 4
