Цифроаналоговый синхронизатор

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19! Н1) С594 Н 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ная

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н А ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3910180/24-07 (22) 17.06.85 (46) 07.02.87. Бкл. 9 5 (7!) Государственный союзный производственный трест передвижных электростанций (72) Д.Б. Баумштейн, А.М. Хазанов, Е.А. Захарова и В.В. Павлов (53) 621.316.729 (088.8) (56) Бобров И.И. Импульсный синхронизатор. Электричество, 1973, Ф 3.

Авторское свидетельство СССР

У 1023525, кл. Н 02 J 3/42, 1981. (54) ЦИФРОАНАЛОГОВЫИ СИНХРОНИЗАТОР (57) Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для автоматического включения синхронных генераторов на параллельную работу. Ц ль изобретения — повышение быстродействия и упрощение синхронизатора, а также улучшение качества переходного процесса. Напряжения сети н генератора преобразуются формирователями I и 2 в напряжения прямоугольной формы, фронты которых совпадают по времени с мо 1288821 ментами перехода через нуль укаэан-" ных напряжений. На выходе измерителей 3 и 4 периода с помощью делителей 32 и 37 на два, схем И 33 и 38, счетчиков 34 и 39, регистров 35 и

40 и цифроаналоговых преобразователей 6 и 7 формируются напряжения, величины которых пропорциональны соответственно периодам напряжения сети и генератора. В зависимости от разности напряжения и его знака через компараторы 10 и 11 и элементы

НЕ осуществляется воздействие на изменение числа оборотов генератора.

При нахождении т казанной разности в допустимых пределах подается через элемент И 30 команда на включение генератора при одновременном

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам автоматического включения синхронных генераторов на параллельную работу с сетью..

Цель изобретения — увеличение быстродействия и упрощение синхронизатора, а также улучшение качества переходного процесса.

На фиг. 1 дана принципиальная блок-схема синхронизатора; на фиг.26 - временные диаграммы, поясняклцие его принцип действия.

Цифроаналоговый синхронизатор включает в себя формирователь 1 напряжения сети, формирователь 2 напряжения генератора, блок 3 измерения периода сети, блок 4 измерения периода генератора, генератор 5 высокой частоты, первый цифроаналоговый преобразователь 6, второй цифроаналоговый преобразователь 7, первый вычитающий блок 8, задатчик 9 нижнего допуска разности часточ, первый компаратор 10, второй компаратор 11, задатчик 12 верхнего допуска разности частот, первый элемент НЕ

l3, второй элемент НЕ 14, механизм

15 изменения оборотов генератора, генератор 16 пилообразного напряжения, третий компарзтор 17, задатчик

18 угла опережения, D -триггер 19, поступлении сигналов от цепи, формирующей сигнал в момент, когда сдвиг фаз между напряжениями сети и генератора равен углу опережения на включение выключателя, и от цепи, формирующей сигнал, свидетельствующий о равенстве напряжений сети и генератора. Первая упомянутая цепь состоит из генератора 16 пилообразного напряжения, компаратора 17, эадатчика 18 угла опережения и 3) -триггера 19. Вторая цепь состоит из дат- . чиков напряжения 20, 21, вычитателя 22, компараторов 25, 26 и задатчиков 23 и 24. Элементы HE 27, 28 установлены в цепи механизма 29 изменения напряжения генератора.

3 з.п. ф-лы, 6 ил. измеритель 20 напряжения сети, измеритель 21 напряжения генератора, второе вычитающее устройство 22, задатчик 23 верхнего допуска разности напряжения и задатчик 24 нижнего допуска разности напряжения, четвертый 25 и пятый 26 компараторы, третий элемент НЕ 27, четвертый элемент НЕ 28, механизм 29 изменения напряжения генератора, элемент И 30, выходную цепь 31 включения.

Блок 3 измерения периодов напря,жений сети содержит делитель 32 час15 тоты на два, элемент И 33, счетчик

34, регистр 35, схему СБРОС 36. Соответствующие элементы 37-41 блока 4 измерения периодов генератора.

Условиями включения синхронизируе20 мого генератора на параллельную работу являются: наличие логической "1" на входе первого компаратора 10, что, соответствует случаю f -Г zã ь f тен сети " 4оп.pal, наличие логической ")" на выходе второго компаратора 11, что соответствует слУчаю fен-fñåò 4 Т4 1 наличие сен сети акоп,макс логической "1" на выходе четвертого компаратора 25, когда U „ U + ген сети

+4U „„ наличие логической 1" на выходе пятого компаратора 26, когда

Uг,ен 1сети 114,ц,, поЯвление логи ческой I на выходе D -триггера в момент, когда на сдвиг по фазе между 1288821 напряжениями генератора и сети равен углу опережения на включение выключателя генератора при фактической разности частот Г,е . и Г

Если разность частот или напряжений генератора и. сети вьппла за пределы допуска, на выходах соответствующих компараторов будут логические

"0tt, что равнозначно командам на из- щ менение оборотов или напряжения генератора.

Принцип измерения периода напряжения сети поясняется фиг. 2. Измеритель периода генератора по своей схеме полностью аналогичен измерителю 3 сети, поэтому все рассуждения при рассмотрении принципа действия измерителя 3 периода сети справедливы и для измерителя 4 периода 20 напряжения генератора.

Напряжение синусоидальной формы

Ц подается на входной формировасети тель 1, который дает на выходе импульсы прямоугольной формы U(, фрон- 25 ты которых совпадают по времени с моментами перехода через "0" напряжения U, . Импульсы U поступают на сети первый вход измерителя 3 периода, к которому подключен вход делителя 32 30 частоты на два. длительнОсть импульсОВ 113 и 11ъ снимаемых с прямого и инверсного выходов, строго равна периоду напряжения сети.

Импульсы U подаются на первый вход элемента И 33, на второй вход кОтОрОГО приходят импульсы U> От генератора 5 высокой частоты. С выхо- 40 да элемента И 33 снимаются пачки импульсов U, причем длительность пачки равна йзмеряемому периоду. По переднему фронту импульсов U> схема

СБРОС 36 формирует короткие (менее 45

1 мкс) импульсы U><, переводящие счетчик 34 в состояние "0".

С приходом импульсов U> содержимое N 4 счетчика 34 начинает линейно нарастать. Частота следования импуль-gg сов и емкость счетчика 34 выбраны так, что счетчик 34 внутри измеряемого периода. обнуляется по переполнению нескольких фаз. Это позволяет увеличить чувствительность измерителя периодов, содержимое N счетчика линейно нарастает и скачком падает до "0" в момент переполнения (моменты t>, tq, tB) °

Синхронизатор работает в относительно узком диапазоне частот. С запасом можно принять f = 52 Гц и

ttttaac

Г„„„= 44 Гц.

Поэтому в предлагаемом синхрониtt It заторе принято, что последняя пила

N на интервале импульса 11 начинается через t = +19,23 мс, а оканчивается через t = 122,73 мс.

Это соответствует частотам 52 и ,44 Гц. После окончания импульса 11ее. содержимое считчика И хранится до прихода следущего пульса и36

В момент окончания периода передним фронтОМ импульса U информация, записанная в счетчике 34, переносится в регистр 35 и хранится там до начала следующего импульса U

Выходы регистра 35 связаны с соответствующими входами цифроаналогового преобразователя 6, выполненного, например, в микросхемном исполнении и представляющем собой токовые ключи, резистивную матрицу R-2R, к которой подключен операционный усилитель.

Цифроаналоговый преобразователь 6 позволяет преобразовать содержимое

N регистра в эквивалентное напряжение 11, пропорциональное периоду сеТ

На фиг. 2 дан случай, когда Т, =const, поэтому и содержимое регистра N и напряжение U6 неизменны по величине.

Аналогичным образом формируется напряжение U на выходе цифроаналогового преобразователя 7, которое пропорционально периоду генератора.

Напряжения цифроаналоговых преобразователей 6 и 7 поступают на входы вычитающего блока 8, причем напряжение, пропорциональное периоду сети, подается на неинвертирующий вход, а напряжение, пропорциональное периоду генератора, — на инвертирующий вход вычитающего блока 8. Напряжение

UB > 0 только в том случае, когда

При этом UB = (U6- U ).К, где Ккоэффициент усиления вычитающего устройства.

На фиг. 3 и 4 показана реализация первых двух условий для выдачи команды на включение генератора на параллельную работу.

На фиг. 3 можно выделить следующие моменты времени: t< — момент включения синхронизатора; до момента

Гсети > 1„„„и цB 0; с момента 1288821 времени t синхронизатор дает команду "Прибавить обороты генератора", начинает расти; t z — момент

Ie» времени, когда Гген сети (!!В

В промежутке времени от t до 5

t f, „ v f, но синхронизатор просвтИ должает выдавать команду "Прибавить обороты", так как U 8 U, где U напряжение, соответстнующее нижней границе поля допуска g f f ген

Гс „=0,05 Гц.

До тех пор, пока Uzt U> U,, 0,05 Гцаа а 0,2 Гц. Если V, (Af) выйдет за верхнюю границу допуска Ц (момент времени tq), то,синхронизатор даст команду "Убавить обороты".

Для управления механизмом изменения

I оборотов используется двигатель постоянного тока. Чтобы избежать перерегулирования (после снятия команд 1Прибавить1 или Убавить" обороты генератора должны оставаться в поле допуска) в цепь якоря двигателя включается резистор, ограничи25 вающий скорость вращения этого двигателя.

Как видно из фиг.3, напряжения, сн жаемые с задатчиков допусков разНОСтн Uat И Ut 7 О. ПОЭТОМУ КОМПара 30 тор 10 дает на выходе логическую "1", только когда U > U и когда U!! подано На неинвертйрующий вход этого компаратора. Если на выходе компаратора 10 — "0", то с выхода схемы НЕ

13 снимается логическая "1" и поступает на первый вход механизма 15 изменения оборотов, который увеличивает обороты генератора. Логическая

"1" на выходе компаратора 11 может присутствовать, когда U8 U . Для этого напряжение U подано на иннер8 тирующий вход компаратора ll. В случае необходимости команда на уменьшение оборотов генератора поступает на второй вход механизма 15 через элемент НЕ 14. Наличие двух логических "1" на первом и втором входах элемента И 30, которые поступают от компараторон 10 и !l дает информаМпмин сеи сети- джима „с

Это значит, что разность частот н допуске и Гсен сети. Формирование логической "1" на выходе D-триггера

19 в момент, когда сдвиг по фазе меж- 55 ду напряжениями П„ „ и 1. равен сети углу опережения на включение выключателя, при текущей разности частот

f. „ и f,„ реализуется следующим образом (фиг. 5): передним фронтом каждого импульса U с выхода формироваI теля 1 запускается генератор 16 пилообразного напряжения, напряжение П! которого подается на первый вход компаратора 17. На второй вход этого кампаратора поступает напряжение U, с выхода задатчика 18 угла опережения. В момент равенства U = U 8 компаратор 17 скачком меняет состояние, формируя на выходе импульс Ut .

Как видно из фиг. 5 длительность импульсов U при неизменной. крутизне . напряжения U пропорциональна уровню напряжения U которое в свою очередь корректйруется в зависимости от разности f, „-Г напряжением се» сети с выхода вычитающего устройства 8.

На фиг. 5 импульсы Б„т показаны разной длительности, что отвечает

I I1 двум разным значениям U, и U на выходе задатчика !8 угла опережения.

Длительность импульса U соотнет17 к ствует меньшему значению UI8, длительность импульса Un — большему и

1т значению Ut . Ширина импульсов U!,, выраженная н электрических градусах, есть угол опережения, при котором должна быть выдана команда на нключение выключателя генератора. Так как f „ f„», то последовательность импульсов U, c выхода формирователя

1 напряжения сети можно считать заторможенной, а последовательность импульсов с выхода U формирователя напряжения генераторов — движущейся относительно импульсов U справа налево.

На фиг. 5 видно как на каждом периоде импульсов U< меняется сдвиг по фазе между напряжением U< сети и U генератора.

Передний фронт третьего по счету импульса U< совпадает с задним фронтом импульса U, . Так как импульсы

U1 и U подаются на входы тактирующего фронтом D-триггера (U,> — на Юнход, à U на С-вход), то в момент сонпадения переднего фронта импульса

tl

U< с задним фронтом импульса Ut на прямом выходе D-триггера появится логическая "1".

Длительность импульса U< определяется следующим образом: при заданной зоне A f f -f (обычно A f =

AoII ген сет и

0,05-0,2 Гц) задается середина диапазона -- - = - - - - при

Ь | A f ttn,ì + h8 оп.макс

2 2 1288821

0,05 Гц и ьГ „„„„,=0,2 Гц

6 и

0 125 Гц.

Период биений Т = — — = 8 с, за анен bt 5

2 время Т иенпередний фронт импульса U (см. фиг.4) пройдет путь в

360 эл. град. от одного момента совпадения фаз импульсов U и U, до сле«10 дующего момента совпадения фаз этих напряжений. Отсюда скорость движения переднего фронта импульса U относительно импульсов U

360 эл.град, 45 эл.град

f5

"2 Т с

Биен

При собственном включении времени выключателя 1в„„генератора команду на включение генератора нужно выдать при угле опережения 9о.ер V„ tâ (tâêë

= г0

=O,1-0,6 с ).

Приняв (=О, 2 с, получим ес вне эл.град

= 45 ††- ††.0,2 с = 9 эл.град. г5

Включение генератора на параллельную работу осуществляется при частотах, близких к 50 Гц, поэтому с достаточной точностью длительность импульса U которую необходимо задать для времени и середины диапазона

hf — 0,125 Гц, можно определить из пропорции:

180 эл.град — 10 mc

9 эл.град — х mc. откуда х = 0 5 mc.

Коррекция длительности импульса

U при отклонении текущей разности частот гг „ и г е „от середины диапазона происходит за счет воздействия напряжения U на задатчик 18 угла опережения.

40

Логическая 1 с вьгхода Г -тригге- 45 ра 19 приходит на третий вход схемы

И 30.

Разрешение на включение генератора по четвертому и пятому входам элемента И 30, когда напРяжение Бг „ лежит в поле допуска, формируется так: переменные напряжения U u U сети ген преобразуются в пропорциональные постоянные напряжения U и U2, с помощью измерителей 20 и 21.

В простейшем случае измеритель может состоять из выпрямителя, сглаживающего фильтра и выходного делителя напряжения.

Напряжения U и U2,ïîäàþòñÿ на

2о входы второго вычитающего устройства 22, выходное напряжение U которого пропорционально разности напряжений У и U2ä . Нижний и верхний .пре2о делы отклонения U e„ от U задаются задатчиками 23 и 24. Компаратор

25 формирует логическую "1", если сет ген в дои 1 11доч (0 3 От 05)1-1сети т сети

Временная диаграмма работы компараторов дана на фиг. 6.

В предлагаемом синхронизаторе принято, что U2 v 0, когда Ure Ucew»

22

В соответствии с этим задатчик нижнего допуска разности напряжений от U дает на выходе напряжение ген сети

U отрицательной полярности, а задатчик верхнего допуска разности напряжений U — напряжение U — пологен жительной полярности.

Если выполняется условие U2 а Uz

24 U, то с выходов компараторов 25 и 26 логические "1" поступают на четвертый и пятый входы элемента И 30.

Когда разность напряжений лежит ниже или выше заданных пределов, то работают элементы HE 27 или 28, а механизм изменения напряжения генератора

29 регулирует напряжение U н таким образом, чтобы оно вошло в пределы допуска.

Ф о р м у л а изобретения

1. Цифроаналоговый синхронизатор, содержащий формирователи напряжения сети и генератора, элементы HE, D триггер, генератор пилообразного напряжения, выходную цепь включения генератора, вход которой подключен к выходу элемента И, и механизм изме-" нения оборотов генератора, отличающийся тем, что, с целью повьппения быстродействия и упрощения синхронизатора, в него введены цифровые блоки измерения периода напряжения генератора и сети, цифроаналоговые преобразователи, вычитающий блок, компараторы, задатчики верхнего и нижнего допусков разности частот генератора и сети, задатчик угла опережения, причем выходы формирователей напряжения сети и генератора подключены к входам цифровых блоков измерения периода соответственно сети и генератора и соответственно к входу генератора пилообразного напряжения и к С-входу З -триггера, выхо1288821 ды блоков измерения периода сети и генератора подключены через первый и второй цифроаналоговые преобразователи к прямому и инверсному входам вычитающего блока, своим выходом соединенного с задатчиком угла опережения, с прямым входом первого компаратора и с инверсным входом второго компаратора, причем к инверсному выходу первого компаратора подключен задатчик нижнего допуска разности частот, а к прямому входу второго компаратора — задатчик верхнего допуска разности частот, выходы первого и второго компаратрров соединены через элементы НЕ а механизмом изменения оборотов генератора и с первым и вторым входами элемента И, третий вход которого подключен к выходу З -триггера, З -входом соединенного с выходом третьего компаратора, первый выход которого подключен к генератору пилообразного напряжения, а второй — к выходу задатчика угла опережения.

2. Синхронизатор по и.1, о т л ич а ю шийся тем, что он снабжен генератором высокой частоты, а каждый иэ цифровых блоков измерения периода сети и генератора включает в себя делитель частоты на два на входе, прямым выходом соединенный с элементом И, а инверсным — с входом

"Перенос" регистра на выходе, входы регистра через счетчик соединены с выходом элемента И, второй вход которого соединен с выходом генератоt1 11 ра высокой частоты, вход Сброс

I счетчика соединен через элемент СБРОС с прямым выходом делителя частоты на два.

3. Синхронизатор по п.1, о т л uf0 ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения качества переходного процесса синхронизатора, он снабжен измерителями напряжения генератора .и сети„ эадатчиками верхнего и

15 нижнего допусков разности напряжения генератора и сети, вторым вычитающим блоком, четвертым и пятым компараторами, третьим и четвертым элементами НЕ и механизмом измене20 ния напряжения генератора, причем четвертый и пятый входы элемента И связаны с соответствующими выходами четвертого и пятого компараторов, к которым через третий и четвертый элементы НЕ подключены входы механизма изменения напряжения генератора, при этом первые входы четвертого и пятого компараторов подключены к задатчикам нижнего и верхне30 го допусков разности напряжения, а вторые входы — к выходу второго вычитающего блока, входы которого подключены к выходам измерителей напряжения генератора и сети.

1288821

Составитель К. Фотина

Техред И.Попович Корректор Л. Патай.Редактор С. Патрушева

Заказ 7819)54 Тираж 641 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5.Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4