устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения и тока в сетях переменного тока с ограничителем амплитуды

Формула изобретения

Устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения и тока в сетях переменного тока с ограничителем амплитуды, содержащее два пороговых элемента и исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, отличающееся тем, что оно снабжено измерительным блоком, при этом пороговые элементы при изменении напряжения сети выше или ниже заданных уровней через измерительный блок подают сигнал отключения таймеру, к управляющему выходу которого подключен светодиод оптопары, терморезистором - датчиком температуры, трансформатором тока, соединенным с таймером и включенным последовательно с исполнительным органом, который состоит из двух включенных встречно-последовательно полевых транзисторов и защитных диодов, истоки полевых транзисторов соединены с общим проводом цепи управления, которая состоит из включенных параллельно накопительного конденсатора и стабилитрона, соединенного через гасящий резистор с выпрямителем сетевого напряжения на диоде, а затворы полевых транзисторов подключены через токоограничительный резистор и неполярный стабилитрон параллельно потребителю и через фотодиод оптопары к общему проводу цепи управления, при этом измерительный блок подает сигнал отключения потребителя от сети при увеличении тока нагрузки, измеряемого трансформатором тока или при увеличении температуры полевых транзисторов, измеряемой терморезистором - датчиком температуры.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим сетям переменного тока, в которых могут возникать ненормированные напряжения и токи при нормальном режиме работы системы электроснабжения или в результате аварии, и используется для защитного отключения потребителя при отклонении напряжения и тока сверх установленных значений.

Известны устройства для защиты потребителя от перенапряжений в сетях переменного тока, содержащие пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, состоящий из силового симистора, в цепи управления которого имеется диодный мост с полевым транзистором, ключевой каскад с задержкой включения и накопительный конденсатор, которые отключают потребителя от питающей сети в случае перенапряжения и осуществляют защиту при первоначальном включении (см. патент РФ №2095906, МПК Н 02 Н 3/20, Н 02 М 1/08).

Однако устройство не осуществляет защиту от пониженного напряжения сети, что может привести к выходу из строя потребителя, имеющего в своем составе устройство со значительным пусковым моментом, например мотор-компрессор.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения в сетях переменного тока, содержащее два пороговых элемента и подключенный к ним исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, состоящий из силового симистора, в цепи управления которого имеется диодный мост с полевым транзистором, ключевой каскад с задержкой включения и накопительный конденсатор (см. патент РФ №2113046, МПК Н 02 Н 3/20, Н 02 М 1/08). При изменении напряжения сети выше или ниже заданных уровней пороговые элементы разряжают накопительный конденсатор до нуля, что приводит к закрытию полевого транзистора и силового симистора, и потребитель отключается от питающей сети. После восстановления нормальных параметров сети работоспособность потребителя автоматически восстанавливается с задержкой времени включения, что позволяет осуществить защиту от ненормированного напряжении при первоначальном включении.

Недостатки такого устройства - низкая скорость срабатывания защиты, что обусловлено свойством симистора оставаться открытым при наличии напряжения между катодом и анодом, хотя управляющий полевой транзистор закрыт. Таким образом, к потребителю поступает как минимум 1/4 периода повышенного напряжения сети. Отсутствие защиты от токовых перегрузок и от перегрева силовых транзисторов снижает функциональные возможности устройства и его надежность. Кроме того, отсутствует возможность регулировки времени задержки включения устройства для потребителей с различными техническими параметрами, а работа симистора в сети переменного тока приводит к возникновению радиопомех, которые необходимо снижать до допустимых уровней.

Технической задачей изобретения является повышение скорости срабатывания защиты, ограничение амплитуды напряжения на потребителе, введение защиты по току и от перегрева силовых транзисторов, регулировка времени задержки включения и снижение радиопомех.

Техническая задача решается тем, что в устройстве для защиты потребителя от ненормированного напряжения и тока в сетях переменного тока с ограничителем амплитуды, содержащем два пороговых элемента и подключенный к ним исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, новым является то, что оно снабжено таймером со светодиодом оптопары, измерительным блоком с двумя пороговыми элементами, терморезистором-датчиком температуры, трансформатором тока, включенным последовательно с исполнительным органом, состоящим из двух включенных встречно-последовательно полевых транзисторов, имеющих в своем составе защитные диоды, истоки которых соединены с общим проводом цепи управления, а затворы подключены через резистор и неполярный стабилитрон параллельно потребителю и через фотодиод оптопары к включенным параллельно накопительному конденсатору и стабилитрону, соединенным через резистор с выпрямителем сетевого напряжения на диоде.

Проведенные патентные исследования подтверждают новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость заявленного решения. При этом достигается высокая скорость срабатывания защиты (что является основной функцией устройства), так как транзисторы в отличие от симисторов могут закрываться независимо от наличия напряжения между истоком и стоком или эмиттером и коллектором. Введение защиты от токовых перегрузок и от перегрева силовых транзисторов, возможность регулировки времени задержки включения, исходя из технических параметров потребителя, и гальваническая развязка цепей измерения и управления расширяет функциональные возможности устройства и его надежность. Кроме того, применение транзисторов в исполнительном органе позволяет использовать их в качестве ограничителя амплитуды переменного напряжения на потребителе и избежать радиопомех, присущих работе симисторов в сетях переменного тока из-за включения и выключения их в начале и конце каждого полупериода, в то время как транзисторы находятся в постоянно открытом состоянии при нормальном напряжении сети.

На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого устройства.

Устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения и тока в сетях переменного тока с ограничителем амплитуды содержит потребитель электроэнергии 1, исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, состоящий из двух включенных встречно-последовательно полевых транзисторов 2 и 3, имеющих в своем составе защитные диоды 4, 5. Истоки транзисторов соединены с общим проводом схемы управления, а затворы подключены через токоограничительный резистор 6 и неполярный стабилитрон 7 параллельно потребителю 1 и через фотодиод 8 к цепи управления, состоящей из включенных параллельно накопительного конденсатора 9 и стабилитрона 10, соединенных через гасящий резистор 11 с выпрямителем сетевого напряжения на диоде 12.

Измерительный блок 13 содержит два пороговых элемента верхнего 14 и нижнего 15 пределов напряжения, трансформатор тока 16, включенный последовательно с исполнительным органом, терморезистор-датчик температуры 17 силовых транзисторов и соединен с таймером 18, к управляющему выходу которого подключен светодиод 19 оптопары.

Устройство работает следующим образом. При подключении к сети с нормальным напряжением, не приводящим к срабатыванию пороговых элементов 14 и 15, происходит зарядка накопительного конденсатора 9 положительным напряжением через резистор 11 от выпрямителя сетевого напряжения на диоде 12 до уровня, заданного стабилитроном 10, соответствующего напряжению включения полевых транзисторов 2 и 3, ко это не приводит к их открытию, так как фотодиод 8 оптопары закрыт. Одновременно таймер 18 начинает отсчет заданного времени задержки включения, по истечении которого на управляющем выходе с подключенным к нему светодиодом 19 оптопары появляется напряжение и светодиод излучает свет, который открывает фотодиод 8, через который напряжение с конденсатора 9 поступает на затворы транзисторов 2, 3, что приводит к их открытию, и потребитель 1 подключается к питающей электросети, а транзисторы находятся в постоянно открытом состоянии. При этом алгоритм работы таймера 18 должен обеспечивать по дачу управляющего напряжения в момент перехода питающего переменного напряжения через ноль для исключения бросков тока при включении нагрузки. Появление кратковременных всплесков напряжения питающей сети приводит к ограничению напряжения на затворах транзисторов 2, 3 до уровня, заданного напряжением пробоя неполярного стабилитрона 7, соответствующего верхнему пределу напряжения срабатывания защиты, а значит, и ограничению амплитуды переменного напряжения на потребителе 1 до безопасных значений. При изменении напряжения сети выше или ниже заданных уровней пороговые элементы 14 или 15 через измерительный блок 13 подают сигнал отключения таймеру 18, на управляющем выходе которого напряжение снижается до нуля, что приводит к отключению светодиода 19 оптопары, а значит, и закрытию фотодиода 8 и, в свою очередь, к закрытию транзисторов 2, 3, и потребитель 1 отключается от питающей сети, причем скорость срабатывания защиты зависит только от параметров транзисторов. При увеличении тока нагрузки, измеряемого трансформатором тока 16, или при увеличении температуры силовых транзисторов 2 и 3, измеряемой терморезистором 17 сверх безопасных пределов, измерительный блок 13 подает сигнал отключения потребителя 1 от сети.

Таким образом, при использовании данного устройства осуществляется быстродействующая защита потребителя от ненормированного напряжения и тока, ограничение амплитуды напряжения на нагрузке, защита силовых транзисторов исполнительного органа от перегрева, регулирование времени задержки включения, исходя из параметров потребителя, работа устройства без радиопомех.