Реле

02 3/20 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Белорусская государственная политехническая академия(73) Патентообладатель Белорусская государственная политехническая академия(57) 1. Реле, содержащее входной преобразователь, выпрямитель и фильтр нижних частот, соединенные последовательно, блок задания уставки, исполнительный элементы, отличающееся тем, что дополнительно содержит однокристальный микроконтроллер и аналого-цифровой преобразователь, который соединен посредством аналогового входа с выходом фильтра нижних частот, а цифрового выхода - с первым входом однокристального микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом блока задания уставки, а первый и второй выходы соединены,соответственно, с управляющим входом аналого-цифрового преобразователя и исполнительным элементом. 2. Реле по п.1, отличающееся тем, что входной преобразователь выполнен в виде преобразователя тока. 3. Реле по п.1, отличающееся тем, что входной преобразователь выполнен в виде преобразователя напряжения.(56) 1. Ванин В.К., Павлов Г.М. Релейная защита на элементах вычислительной техники, 2-е изд., перераб. и доп., Л. Энергоатомиздат, 1991.-С.98-101 (прототип). Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в области релейной защиты и автоматизации электроэнергетических систем. Известны электромагнитные реле переменного тока (напряжения), состоящие из магнитопровода, обмотки,противодействующей пружины, подвижного якоря и контактной системы, в которых осуществляется сравнение вращающего момента пропорционального квадрату контролируемого тока (напряжения) с заданным противодействующим моментом, создаваемым пружиной 1. Электромагнитные реле переменного тока (напряжения) недостаточно надежны из-за наличия подвижных элементов и контактов, имеют большое потребление мощности. Инерционность подвижного якоря обусловливает невысокое быстродействие реле, составляющее 0,06-0,08 с. Работа этих реле сопровождается вибрацией контактов, что приводит к их подгоранию. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является реле переменного тока на базе интегральных аналоговых микросхем с выпрямлением сигнала 1, содержащее 2129 1 входной преобразователь тока и выпрямитель, соединенные последовательно, фильтр нижних частот, вход которого подключен к выходу выпрямителя, а выход соединен с первым входам реагирующего органа, ко второму входу которого подключен блок задания уставки, а к выходу - исполнительный элемент. Это реле реагирует на средневыпрямленное значение сигнала, которое при срабатывании должно превышать заранее установленное значение - уставку. Оно имеет хорошую отстройку от помех и вибростойкость. В реле переменного тока на базе аналоговых интегральных микросхем с выпрямлением сигнала переменная составляющая в сравниваемой величине в 1,5 раза меньше аналогичной составляющей у электромагнитных реле. Это обеспечивает возможность при той же степени подавления переменной составляющей повышения быстродействия реле до 0,03-0,04 с. Вместе с тем такие реле не могут быть использованы для построения быстродействующих устройств защиты и автоматизации электроэнергетических систем с временем срабатывания 0,02-0,025 с. Задача, решаемая изобретением, - повышение быстродействия реле. Эта задача решается за счет того, что в реле содержащем входной преобразователь, выпрямитель и фильтр нижних частот, соединенные последовательно, блок задания уставки, исполнительный элемент, дополнительно введены однокристальный микроконтроллер и аналого-цифровой преобразователь, который соединен посредством аналогового входа с выходом фильтра нижних частот, а цифрового выхода - с первым входом однокристального микроконтроллера, второй вход которого соединен с выходом блока задания уставки, а первый и второй выходы соединены, соответственно, с управляющим входо м аналого-цифрового преобразователя и исполнительным элементом. Выполняя входной преобразователь в виде преобразователя тока или преобразователя напряжения, получают, соответственно, реле тока или реле напряжения. Введение микроконтроллера и аналого-цифрового преобразователя позволяет реализовать аналогоцифровой метод выделения средневыпрямленного значения контролируемого сигнала тока (напряжения). При этом первоначально выходной сигнал выпрямителя обрабатывается фильтром нижних частот с целью подавления высокочастотных составляющих. Затем с помощью микроконтроллера и аналого-цифрового преобразователя с шагам дискретизациина интервале, равном половине периода промышленной частоты,формируются и фиксируютсяцифровых отсчетов выходного сигнала фильтра нижних частот, по которым вычисляется средневыпрямленное значение контролируемого тока (напряжения) согласно выражению где- постоянные коэффициенты, зависящие при заданном значении промышленной частоты от 31 - цифровые отсчеты выходного сигнала фильтра нижних частот, зафиксированные с шагом дискретизации. При такой реализации быстродействие реле определяется быстродействием аналогового фильтра нижних частот и временем аналого-цифрового преобразования и обработки его выходного сигнала. Быстродействие реле на базе интегральных аналоговых микросхем ограничивается инерционностью фильтра нижних частот и при его частоте среза 20 Гц составляет 0,035 с. Для получения той же степени подавления переменной составляющей в сравниваемом сигнале реле достаточно иметь фильтр нижних частот с частотой среза 160 Гц, быстродействие которого составляет порядка 0,005 с. Время аналого-цифрового преобразования и обработки выходного сигнала фильтра нижних частот в указанном реле при значении промышленной частоты 50 Гц не превышает 0,01 с. Благодаря этому быстродействие аналого-цифрового реле переменного тока (напряжения) составляет 0,015-0,02 с и в 2 раза выше аналогичного параметра у реле на базе интегральных аналоговых микросхем. На фиг. 1 приведена функциональная схема реле, а на фиг.2 - временные диаграммы напряжений на выходах его функциональных элементов. Реле содержит входной преобразователь 1 (ВП), подключаемый к измерительному трансформатору тока(напряжения). Выход преобразователя 1 соединен со входом выпрямителя (В), выход которого подключен ко входу фильтра нижних частот 2 (ФНЧ). С выходом фильтра 3 соединен аналоговый вход 1 аналого-цифрового преобразователя 4 (АЦП), цифровой выход которого подключен к первому входу 1 однокристального микроконтроллера 5 (МК). Второй вход 2 микроконтроллера 5 соединен с блоком задания уставки 6 (БЗУ), а первый 1 и второй 2 выходы - к управляющему входу 2 аналого-цифрового преобразователя 4 и исполнительному элементу 7 (ИЭ). Входной преобразователь тока (напряжения) 1 преобразует контролируемый ток(напряжение ) в пропорциональный сигнал напряжения 1 и представляет собой промежуточный трансформатор с экраном между первичной и вторичной обмотками для повышения помехоустойчивости реле. Реле тока и реле напряжения отличаются только конструктивным выполнением и параметрами элементов входного преобразователя. 2 2129 1 Выпрямитель 2 представляет собой двухполупериодный выпрямитель на полупроводниковых диодах или операционных усилителях и служит для выделения абсолютного значения напряжения 1. Фильтр нижних частот 3 осуществляет подавление высокочастотных составляющих в выходном напряжении выпрямителя 2 и представляет собой активный фильтр 2-го порядка на операционном усилителе. Аналого-цифровой преобразователь 4 осуществляет преобразование отсчетов выходного напряжения фильтра 3 в цифровой код. Однокристальный микроконтроллер 5 предназначен для организации измерения отсчетов напряжения 3 через интервал дискретизации , задания режимов работы аналого-цифрового преобразователя, выполнения арифметических и логических операций при вычислении средневыпрямленного значения контролируемого тока (напряжения)в соответствии с формулой (1), а также для формирования выходного сигнала 4, поступающего на исполнительный элемент 7 по результатам сравненияс заданной уставкой. В предлагаемом реле могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью аналогоцифровые преобразователи и микроконтроллеры. Блок задания уставок 6 предназначен для дискретного изменения тока (напряжения) срабатывания реле и выполняется на основе задатчиков двоично-десятичного кода. Исполнительный элемент 7 представляет собой усилительный каскад на транзисторе, в цепь коллектора которого включено малогабаритное выходное реле. Реле переменного тока (напряжения) работает следующим образам. Контролируемый переменный ток(напряжение ) поступает на вход преобразователя 1, на выходе которого формируется пропорциональный сигнал напряжения 1. С выхода преобразователя 1 напряжение 1 подается на вход выпрямителя 2, обеспечивающего получение на выходе напряжения 2 путем двухполупериодного выпрямления сигнала . Напряжение 2 поступает на вход фильтра нижних частот 3, который подавляет высокочастотные составляющие и формирует напряжение 3, содержащее постоянную и гармонические составляющие с граничной частотой, не превышающей 200 Гц. Напряжение 3 с выхода фильтра 3 подается на аналоговый вход 1 аналого-цифрового преобразователя 4. По команде, поступающей с выходамикроконтроллера 5 на управляющий вход 2 аналого-цифрового преобразователя 4, последний фиксирует первый отсчет 31 напряжения 3 и осуществляет его преобразование в цифровой код 31 . Одновременно с фиксацией упомянуто го напряжения запускается таймер микроконтроллера 5 и организуется отсчет шага дискретизациидо второго момента измерения 3. После завершения аналого-цифрового преобразования отсчета 31 по команде, поступающей с выходамикроконтроллера 5 на управляющий вход 2 аналого-цифрового преобразователя 4, цифровой код его выхода передается на вход 1 микроконтроллера 5 и вводится в его запоминающее устройство. По истечении шага дискретизацииповторяется процесс фиксации, преобразования, считывания и запоминания второго 32 и последующих отсчетов напряжения 3. После полученияцифровых отсчетов напряжения 3,зафиксированных на интервале, равном половине периода промышленной частоты, через шаг дискретизации , в микроконтроллере 5 в соответствии с выражением (1) рассчитывается средневыпрямленное значение контролируемого сигнала ср, которое сравнивается с уставкой срабатывания реле, подаваемой на вход 2 микроконтроллера 5 от блока задания уставок 6. Еслипревышает уставку срабатывания, то на выходе 2 микроконтроллера 5 появляется сигнал 4, под действием которого исполнительный элемент 7 срабатывает. Оптимальное число цифровых отсчетовнапряжения 3, по которым рассчитывается средневыпрямленное значение контролируемого сигнала , равно 5,7. При этом шаг дискретизациидолжен удовлетворять условию 0,01(2)1 Изобретение может быть использовано для построения быстродействующих устройств релейной защиты и автоматизации энергосистем и реализовано с помощью известных элементов, выполненных на базе микроэлектронной техники. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4