устройство для защиты электрической цепи постоянного тока

Формула изобретения

Устройство для защиты электрической цепи постоянного тока, содержащее N параллельно соединенных каналов ограничителя тока, каждый из которых содержит первый исполнительный орган, первый датчик тока, усилитель, блок управления, усилитель мощности, пороговый элемент, при этом вход первого исполнительного органа является силовым входом канала ограничителя тока, выход первого исполнительного органа подключен ко входу первого датчика тока и первому входу усилителя, выход первого датчика тока соединен со вторым входом усилителя, вход порогового элемента соединен со входом блока управления, вход которого одновременно является управляющим входом канала ограничителя тока, а его выход подключен к первому входу усилителя мощности, выход которого соединен с управляющим входом первого исполнительного органа, второй вход которого связан с выходом порогового элемента, объединенные силовые входы N каналов ограничителя тока являются входом устройства, также устройство содержит второй датчик тока, измеритель тока, измеритель времени, при этом объединенные силовые выходы N каналов ограничителя тока подключены ко входу второго датчика тока, выход которого является выходом устройства, выход измерителя тока соединен со входом измерителя времени, выход которого подключен к объединенным управляющим входам N каналов ограничителя тока, отличающееся тем, что в каждый из N каналов ограничителя тока введены второй исполнительный орган и первый усилитель абсолютного значения, причем входы второго исполнительного органа подключены соответственно к выходу первого датчика тока и выходу усилителя мощности, выход второго исполнительного органа является силовым выходом канала ограничителя тока, вход первого усилителя абсолютного значения подключен к выходу усилителя, а его выход соединен со входом порогового элемента, в устройство дополнительно входит второй усилитель абсолютного значения, вход которого подключен к измерительному выходу второго датчика тока, а его выход соединен со входом измерителя тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических цепей систем электропитания постоянного тока от токов перегрузки и токов короткого замыкания.

Известно бесконтактное устройство защиты и коммутации [1], содержащее исполнительный орган, датчик тока и схему управления.

Недостатками известного устройства является большая величина времени включения и отключения, что приводит к возникновению дополнительных потерь и разогреву силового ключа из-за развития больших токов перегрузки и ограничения по применению динамической нагрузки.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для защиты электрической цепи постоянного тока [2] с напряжением 120 В, принятое за прототип и содержащее N параллельно соединенных каналов ограничителя тока, каждый из которых содержит первый исполнительный орган, первый датчик тока, усилитель, блок управления, усилитель мощности, пороговый элемент.

Недостатком прототипа является его неспособность выполнять защитно-коммутационные функции в цепях с аккумуляторными батареями, в которых направление тока не постоянно.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого устройства, является обеспечение возможности защиты и коммутации в цепях с аккумуляторными батареями.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для защиты электрической цепи постоянного тока, содержащее N параллельно соединенных каналов ограничителя тока, каждый из которых содержит первый исполнительный орган, первый датчик тока, усилитель, блок управления, усилитель мощности, пороговый элемент, при этом вход первого исполнительного органа является силовым входом канала ограничителя тока, выход первого исполнительного органа подключен ко входу первого датчика тока и первому входу усилителя, выход первого датчика тока соединен со вторым входом усилителя, вход порогового элемента соединен со входом блока управления, вход которого является управляющим входом канала ограничителя тока, а его выход подключен к первому входу усилителя мощности, выход которого соединен с управляющим входом первого исполнительного органа, второй вход которого связан с выходом порогового элемента, объединенные силовые входы N каналов ограничителя тока являются входом устройства, также устройство содержит второй датчик тока, измеритель тока, измеритель времени, при этом объединенные силовые выходы N каналов ограничителя тока подключены ко входу второго датчика тока, выход которого является выходом устройства, выход измерителя тока соединен со входом измерителя времени, выход которого подключен к объединенным управляющим входам N каналов ограничителя тока, дополнительно входит второй усилитель абсолютного значения, вход которого подключен к измерительному выходу второго датчика тока, а его выход соединен со входом измерителя тока, в каждый из N каналов ограничителя тока введены второй исполнительный орган и первый усилитель абсолютного значения, причем входы второго исполнительного органа подключены соответственно к выходу первого датчика тока и выходу усилителя мощности, выход второго исполнительного органа является силовым выходом канала ограничителя тока, вход первого усилителя абсолютного значения подключен к выходу усилителя, а его выход соединен со входом порогового элемента.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для защиты электрической цепи постоянного тока. На фиг.2, 3 отображены эпюры токов перегрузки и короткого замыкания соответственно.

Устройство содержит N-канальный ограничитель тока. Каждый канал ограничителя тока 4 включает в себя первый исполнительный орган 1, первый датчик тока 2, усилитель 3, блок управления 5, усилитель мощности 6, пороговый элемент 7, второй исполнительный орган 11, первый усилитель абсолютного значения 12, кроме указанного ограничителя тока устройство содержит второй датчик тока 8, измеритель тока 9, измеритель времени 10, второй усилитель абсолютного значения 13.

Устройство работает следующим образом.

В первый момент времени блок управления 5 каждого из N каналов ограничителя тока 4 выдает на первый вход усилителя мощности 6 разрешающий сигнал для установки первого исполнительного органа 1 и второго исполнительного органа 11 в замкнутое состояние и для передачи тока через низкоомные первый 2 и второй 8 датчики тока в нагрузку.

При номинальном токе в выходной цепи устройства уровень сигнала на выходе первого усилителя абсолютного значения 12 каждого из N каналов недостаточен для срабатывания блока управления 5 и порового элемента 7, также уровень сигнала с выхода второго усилителя абсолютного значения 13 недостаточен для срабатывания измерителя тока 9, на выходе которого устанавливается разрешающий сигнал, поступающий через измеритель времени 10 на вход блока управления 5 каждого канала ограничителя тока 4. Таким образом, с выходов блока управления 5 и порового элемента 7 на усилитель мощности 6 каждого канала поступают разрешающие сигналы, и усилитель мощности 6 поддерживает первый исполнительный орган 1 и второй исполнительный орган 11 в замкнутом состоянии.

Эпюра тока, приведенная на фиг.2, поясняют работу устройства при токе перегрузки. При возрастании тока нагрузки увеличиваются уровни напряжения на входах усилителя 3, что неизбежно приводит к увеличению уровня сигнала на входе блока управления 5. При превышении этим сигналом определенного уровня, который соответствует току нагрузки I₁ (фиг.2), блок управления 5 уменьшает уровень сигнала на первом входе усилителя мощности 6 и, следовательно, на управляющем входе первого исполнительного органа 1 и второго исполнительного органа 11, что приводит к уменьшению тока нагрузки. В результате, при протекании тока от первого исполнительного органа 1 ко второму исполнительному органу 11, благодаря действию цепи обратной связи первый датчик тока 2, первый усилитель абсолютного значения 12, блок управления 5, усилитель мощности 6, первый исполнительный орган 1, а при протекании тока от второго исполнительного органа 11 к первому исполнительному органу 1 - датчик тока 2, первый усилитель абсолютного значения 12, блок управления 5, усилитель мощности 6, второй исполнительный орган 11, происходит ограничение тока нагрузки на уровне I₁, заданном блоком управления 5. Из-за того что указанная цепь обратной связи имеет некоторую постоянную времени, ограничитель тока установит ток I₁ в цепи нагрузки через время t₃ (фиг.2). Ток I₁ складывается из N равных частей (I₁/N), каждая из которых задается одним из N каналов ограничителя тока 4. Одновременно с возрастанием тока нагрузки увеличивается сигнал с измерительного выхода второго датчика тока 8, поступающего на вход второго усилителя абсолютного значения 13, и при превышении сигналом установленного уровня (соответствующего току нагрузки I₂ на фиг.2) измеритель тока 9 выдает команду измерителю времени 10 на отсчет времени. По истечении установленного интервала t₁ и при наличии на входе измерителя тока 9 сигнала, величина которого выше установленного уровня, измеритель времени 10 выдаст на вход блока управления 5 каждого канала ограничителя тока 4 сигнал, который через усилитель мощности 6 переведет первый исполнительный орган 1 и второй исполнительный орган 11 в непроводящее состояние. Таким образом, при токе нагрузки, величина которого меньше уровней, заданных блоком управления 5 и измерителем тока 9 (I₁, I₂), усилитель мощности 6 никак не влияет на проводимость первого и второго исполнительных органов 1, 11. При превышении током нагрузки уровня, заданного блоком управления 5 (I₁), ток в силовой цепи будет ограничен этим уровнем и через время, заданное измерителем времени 10, первый и второй исполнительные органы 1, 11 разомкнут цепь нагрузки. Если в течение указанного времени величина тока снизится до номинальной, блок управления 5, измеритель времени 10, измеритель тока 9 вернутся в исходное состояние, при котором первый и второй исполнительные органы 1, 11 имеют наименьшее сопротивление.

Работа устройства при коротком замыкании показана на фиг.3. Возникновение на выходе устройства короткого замыкания приводит к появлению на выходе первого усилителя абсолютного значения 12 уровня сигнала, превышающего порог срабатывания порового элемента 7, что приводит к его срабатыванию. Усиленный сигнал с выхода порогового элемента 7 поступает на вход первого и второго исполнительных органов 1, 11. Пороговый элемент 7 обеспечивает быстрый переход первого и второго исполнительных органов 1, 11 в состояние низкой проводимости. Далее первый и второй исполнительные органы 1, 11 за некоторое время t₂ выводят ток нагрузки на уровень, заданный блоком управления 5 (I₁), и, если по истечении интервала времени t₁ на выходе устройства по-прежнему будет присутствовать короткое замыкание, то первый и второй исполнительные органы 1, 11 разомкнут цепь нагрузки.

Различие уровней токов I₁, I₂ необходимо для обеспечения измерения времени измерителем времени 10.

Ограничение уровня тока короткого замыкания необходимо для защиты первого и второго исполнительных органов 1, 11 от пропускания через него неограниченного тока и выхода их из строя. Для этого в устройство введен пороговый элемент 7, который настроен на более высокий уровень тока (I₃/N), чем блок управления 5 (I₁/N). Все N каналов ограничителя тока 4 начинают ограничивать ток короткого замыкания практически в одно и то же время, что обеспечивается равенством уровней срабатывания порогового элемента 7 каждого канала ограничителя тока 4 и малым временем реакции порового элемента 7. Ограничение тока короткого замыкания происходит за счет ограничения времени пребывания первого и второго исполнительных органов 1, 11 в проводящем состоянии и, тем самым, не позволяет току короткого замыкания увеличиваться до значения, приводящего к выходу из строя первого и второго исполнительных органов 1, 11.

Введение в каждый канал ограничителя тока 4 второго исполнительного органа 11 обеспечивает защитно-коммутационные функции независимо от направления тока нагрузки, что позволяет использовать данное устройство в системах, содержащих аккумуляторные батареи.

Источники информации

1. Микроэлектронные электросистемы. Применения в радиоэлектронике /Конев Ю.И., Гулякович Г.Н., Полянин К.П. и др. Под ред. Конева Ю.И. - М.: Радио и связь, 1987, с.148.

2. Заявка на изобретение №2001100779, кл. H 02 Н 7/10, опубл. 27.07.2001, БИПМ №21, ч. 1 (прототип).