Реле

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Белорусская государственная политехническая академия(73) Патентообладатель Белорусская государственная политехническая академия(57) 1. Реле, содержащее входной преобразователь и выпрямитель, соединенные последовательно, блок опорного напряжения и задания уставки, первый формирователь прямоугольных импульсов, к первому входу которого подключен выход формирователя модуля, а ко второму входу - выход блока опорного напряжения и задания уставки,исполнительный элемент, отличающееся тем, что первый формирователь прямоугольных импульсов выполнен однополярным, кроме того, дополнительно введены однокристальный микроконтроллер и второй однополярный формирователь прямоугольных импульсов, вход которого подключен к выходу входного преобразователя, а выход - ко второму входу однокристального микроконтроллера, первый вход которого соединен с выходом первого однополярного формирователя прямоугольных импульсов, а выход - со входом исполнительного элемента. 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. Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем.-М. Энергия, 1976.-С. 107-111. 2. Линт Г.Э. Серийные реле защиты, выполненные на интегральных микросхемах, М. Энергоиздат, 1990.-С. 47-49, 63-69 (прототип). 2130 1 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в области релейной защиты и автоматики электроэнергетических систем. Известны электромагнитные реле тока (напряжения), состоящие из магнитопровода, обмотки, противодействующей пружины, подвижного якоря и контактной системы, реагирующие на величину тока (напряжения),подводимого к реле. В этих реле осуществляется сравнение вращающего момента, пропорционального квадрату подводимого тока (напряжения), с заданным противодействующим моментом, создаваемым пружиной 1. Реле реагируют не только на периодическую, но и на апериодическую составляющую тока (напряжения), недостаточно надежны из-за наличия подвижных элементов и контактов, имеют большое потребление мощности. Работа реле сопровождается вибрацией контактов, что приводит к их подгоранию. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является реле тока на базе интегральных аналоговых микросхем 2, содержащее входной преобразователь тока и выпрямитель, соединенные последовательно, формирователь прямоугольных импульсов по моментам перехода сигнала через заданный уровень, к первому входу которого подключен выход выпрямителя, а ко второму входу - блок опорного напряжения и задания уставки, а выход формирователя импульсов через реагирующий орган подключен к исполнительному элементу. В основу этого реле положена время-импульсная схема сравнения электрических величин, состоящая из последовательно соединенных формирователя импульсов и реагирующего органа, в которой мгновенное значение тока при срабатывании должно превышать опорное в течение заданного интервала времени. Такое реле имеет хорошую отстройку от помех и вибростойкость. Однако оно реагирует не только на периодическую, но и на апериодическую составляющую тока входного сигнала, вследствие чего само понятие тока срабатывания теряет определенность из-за неоднозначности его поведения, например, при коротких замыканиях в одном и том же месте, но при различном характере протекания переходного процесса короткого замыкания. Другим недостатком этого реле является зависимость параметра срабатывания при эксплуатационных изменениях частоты в системе. Вследствие этого недостатка промышленно выпускаются реле на частоту 50 и 60 Гц. Задачи, решаемые изобретением, - устранение влияния эксплуатационных изменений частоты и уменьшение влияния апериодических составляющих входного сигнала на работу реле. Эти задачи решаются за счет того, что в реле, содержащем входной преобразователь и выпрямитель, соединенные последовательно, блок опорного напряжения и задания уставки, первый однополярный формирователь прямоугольных импульсов, к первому входу которого подключен выход выпрямителя, а ко второму входу - выход блока опорного напряжения и задания уставки, дополнительно введены однокристальный микроконтроллер и второй однополярный формирователь прямоугольных импульсов, вход которого подключен к выходу входного преобразователя, а выход - ко второму входу однокристального микроконтроллера, первый вход которого соединен с выходом первого однополярного формирователя прямоугольных импульсов, а выход - со входом исполнительного элемента. Выполнение входного преобразователя данного реле в виде преобразователя тока или преобразователя напряжения позволяет получить соответственно реле тока или реле напряжения. Введение второго формирователя прямоугольных импульсов с длительностью Т, равной периоду входного сигнала, а также выполнение первого формирователя однополярным, позволяет с помощью микроконтроллера вычислять интегральное значение периодической составляющей входного сигналакак сумму положительнойи отрицательной 2 полуволн согласно выражению где- опорное напряжение Т - период входного сигнала Т 1 - время превышения положительной полуволной входного сигнала опорного напряжения Т 2 - тоже для отрицательной полуволны. При такой реализации реле напряжение срабатывания не зависит от частоты входного сигнала, т.к. оно определяется за весь период Т. Кроме того, раздельное определение амплитуд обеих полуволн позволяет существенно снизить влияние апериодической составляющей во входном сигнале на функционирование реле. На фиг.1 приведена функциональная схема реле, на фиг.2 - временные диаграммы напряжений на выходах его функциональных элементов. Устройство содержит входной преобразователь (ВП) тока (напряжения) 1, подключаемый к измерительным трансформаторам тока (напряжения), выход которого подключен ко входу выпрямителя (В) 2 и второго формирователя однополярных прямоугольных импульсов (ФИ 2) 3 с длительностью импульсов, равных периоду входного сигнала, а к выходу выпрямителя 2 подключен первый вход первого формирователя прямоугольных импульсов (ФИ 1) 4 по местам перехода сигнала через заданный уровень, ко второму входу которого подключен блок опорного напряжения и задания уставки (БОНЗУ) 5, а выходы формирователей импульсов 3,4 подключены ко входам однокристального микроконтроллера (МК) 6, выходной сигнал которого воздействует на исполнительный элемент (ИЭ) 7. 2 2130 1 Входной преобразователь тока (напряжения) 1 преобразует ток (напряжение) от измерительных трансформаторов тока (напряжения) в пропорциональное ему напряжение и представляет собой промежуточный трансформатор с экраном между первичной и вторичной обмотками для повышения помехоустойчивости. ел тока и реле напряжения отличаются только конструктивным выполнением входного преобразователя 1. В реле напряжения используется входной преобразователь напряжения, подключаемый к измерительному трансформатору напряжения, а в реле тока - входной преобразователь тока, подключаемый к измерительному трансформатору тока. Выпрямитель 2 представляет собой выпрямительный мост без сглаживающих фильтров на выходе. Формирователи однополярных прямоугольных импульсов 3, 4 выполнены на основе двухвходовых компараторов по известным схемам с полупроводниковыми диодами на их выходе. В качестве блока опорного напряжения и задания уставки 5 могут быть использованы известные схемы,содержащие источник постоянного тока, делители напряжения и переключатели 2. В этом блоке выполняется регулирование уставки по току (напряжению) срабатывания путем изменения уровня опорного напряжения о. Однокристальный микроконтроллер 6 предназначен для измерения длительностей однополярных прямоугольных импульсов, поступающих на его входы с выходов формирователей импульсов 3, 4 для выполнения арифметических и логических операций в соответствии с принятой программой вычислений, а также для формирования выходного сигнала, поступающего на исполнительный элемент 7. В предлагаемом устройстве могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью микроконтроллеры, содержащие два аппаратных таймера, входы которых соединены со входами 1, 2, позволяющих с высокой точностью измерять длительности прямоугольных импульсов, развитую систему прерываний, высокопроизводительное арифметико-логическое устройство, постоянное запоминающее устройство для хранения программы функционираования реле, оперативное запоминающее устройство для хранения промежуточных результатов вычисления, устройства ввода-вывода, необходимые для подключения внешних устройств. Исполнительный элемент 7 представляет собой усилительный каскад на транзисторе, в цепь коллектора которого включено выходное реле. Устройство работает следующим образом. Входной сигналот измерительных трансформаторов тока (напряжения), содержащий в общем случае периодическую и апериодическую составляющие, поступает на вход преобразователя 1, который выполняет также функцию гальванического разделения цепей контролируемого сигнала и устройства. С выхода преобразователя 1 сигнал 1 подается на вход второго формирователя импульсов 3, который формирует однополярные прямоугольные импульсы Т с длительностью, равной периоду входного сигнала. Первый формирователь 4 по моментам перехода сигнала через уровень опорного напряжения оп, величина которого мажет быть изменена в блоке 5, формирует однополярные прямоугольные импульсы длительностью 1 для положительной и длительностью Т 2 для отрицательной полуволны входного сигнала . Сформированные таким образом импульсы поступают на входы 1, 2 микроконтроллера 6. По переднему фронту импульса 4 запускается первый таймер, а по переднему фронту импульсов 3 запускается второй таймер. Процесс измерения длительностей импульсов Т, Т 1, Т 2 заканчивается после исчезновения соответствующего импульса, т.е. по заданному фронту. По измеренным и запомненным длительностям импульсов Т 1, Т 2, Т в микроконтроллере 6 в соответствии с программой,занесенной в постоянное запоминающее устройство микроконтроллера, рассчитываются амплитудные значения положительной и отрицательной полуволн входного сигнала, по которым можно вычислить интегральное значениепериодической составляющей входного сигнала, которое сравнивается со значением уставки срабатывания реле, задаваемым в блоке 5. Принцип измерения интегрального значения периодической составляющей тока (напряжения) входного сигналаоснован на сравнении мгновенного значения этого сигнала с опорным напряжением оп в соответствии с известным соотношением(2) Из временных диаграмм, приведенных на фиг.2 следует, что для положительной полуволны сигнала 2(Т 1)(3) оп ( /2 Т 1/2 )(Т 1/Т),где /(2/) - период входного сигнала 1 - время превышения положительной полуволной сигнала уровня опорного напряжения, т.е. длительность прямоугольного импульса. Амплитуда положительной полуволны входного сигналаопоп(4)(/21 /2)(1 /) Аналогично определяется амплитуда отрицательной полуволны входного сигналаоп 2130 1 Как видно из диаграммы фиг.2, интегральное значение периодической составляющей входного сигнала с учетом коэффициента амплитуды можно получить как сумму амплитуд положительной и отрицательной полуволн согласно выражению (1). В этих выражениях к непосредственно измеряемым параметрам относятся длительности прямоугольных импульсов Т, Т 1, Т 2. Неизмеряемым параметром является сигнал постоянного уровня оп, задаваемый константой. Все расчеты производятся в блоке 6, который функционирует в соответствии с программой, занесенной в постоянное запоминающее устройство микроконтроллера. Основные положения алгоритма работы устройства сводятся к следующему. При входном сигнале, равном нулю, прямоугольные импульсы 3, 4, поступающие на входы 1, 2 микроконтроллера, отсутствуют, выходной сигнал микроконтроллера 6 равен нулю и исполнительный элемент 7 не срабатывает. В режиме, когда амплитудное значение входного сигнала меньше уровня опорного напряжения на выходе формирователя 5 появляются импульсы 3, длительность которых пропорциональна периоду входного сигнала, а на выходе формирователя 4 импульсы отсутствуют. Выходной сигнал 5 равен нулю и исполнительный элемент не срабатывает. В режиме, когда уровень входного сигнала превышает уровень опорного напряжения оп наряду с импульсами 3, появляются импульсы Т 1, Т 2, длительность которых соответствует времени превышения входным сигналам уровня опорного напряжения. При входном сигнале, содержащем как периодическую, так и апериодическую составляющие, длительности импульсов Т 1 и Т 2 разнополярны. По измеренным длительностям импульсов Т 1, Т 2, Т в соответствии с программой, реализующей выражение (1), рассчитывается интегральное значение входного сигнала . Еслипревышает уставку срабатывания, то на выходе микроконтроллера появляется сигнал 5, под действием которого исполнительные элемент срабатывает. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.