УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗКИ С ОДНОГО ИСТОЧНИКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ДРУГОЙ Российский патент 1994 года по МПК H02J9/06 

Изобретние относится к автоматике и может быть использовано в тех областях народного хозяйства, где нашли применение потребители переменного тока, не терпящие перерыва в снабжении электроэнергией или ее плохого качества, например ЭВМ, служащие для управления движением судна или электроэнергетической установкой.

Известно устройство для автоматического переключения нагрузки с одного источника переменного напряжения на другой, содержащее дешифратор, выход которого подключен к исполнительному устройству, и два аналогичных блока анализа напряжения и частоты источников, каждый из которых включает датчик напряжения, подключенный через пороговый элемент к одному из входов логической схемы ИЛИ-НЕ и схеме анализа частоты, выход которой подключен к другому входу логической схемы ИЛИ-НЕ, реле времени и триггер, один из входов которого подключен к выходу логической схемы ИЛИ-НЕ и входу реле времени, другой вход подключен к выходу реле времени, а выходы триггера подключены к входам дешифратора [1].

Однако известное устройство имеет недостаток, заключающийся в ненадежности его работы во время переходных процессов в электрических сетях и возникающий, во-первых, из-за отсутствия в блоках анализа напряжения и частоты источников схемы задержки на время переходных процессов, что приводит к звонковому режиму работы устройства, и, во-вторых, из-за дешифратора, алгоритм функционирования которого в данной схеме подключения не обеспечивает бесперебойное снабжение электроэнергией потребителей напряжения переменного тока.

Наиболее близким предлагаемому по своей технической сущности является устройство для автоматического переключения нагрузки с одного источника переменного тока на другой, содержащее дешифратор, выход которого подключен к исполнительному элементу, а входы - к выходам двух идентичных блоков контроля качества электроэнергии, каждый из которых содержит датчик напряжения и узел формирования уставок по напряжению, выходы которых подключены к соответствующим входам порогового элемента, Т-триггер, элемент фиксации наличия импульсов, первый и второй ждущие генераторы импульсов эталонной длительности, логический элемент И, одноступенчатый D-триггер, а также элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ и элемент ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, причем выход порогового элемента через дифференцирующую цепь подключен к счетному входу Т-триггера и к входу элемента фиксации наличия импульсов, выход которого подключен к R-входу D-триггера Q-выход, Т-триггера подключен к входам первого и второго ждущих генераторов импульсов эталонной длительности, а -выход - к входу синхронизации D-триггера, -выход первого ждущего генератора и Q-выход второго ждущего генератора подключены к входам логического элемента И, выход которого подключен к D-входу D-триггера, Q-выход которого через элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ подключен к входу элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выход которого является выходом блока контроля качества электроэнергии [2].

Однако и это устройство из-за отсутствия в блоках контроля качества электроэнергии схемы контроля провалов напряжения и соответствующего подключения к этим блокам дешифратора с требуемой функцией работы не обеспечивает бесперебойное снабжение электроэнергией ответственных потребителей. Согласно правил эксплуатации судов при кратковременных колебаниях параметров электроэнергии на клеммах потребителей допускается провал напряжения на 25% от номинального значения на время не более 1 с. В тоже время при аварийных режимах в сети (например при коротких замыканиях) могут иметь место кратковременные снижения напряжения до нуля на время не более 1 с с последующим восстановлением напряжения за время не более 1,5 с. Естественно, что уже в случае провала напряжения до нуля на такое длительное время энергии, запасенной в электролитических конденсаторах фильтров питания ответственных потребителей, из-за отсутствия их подзаряда, уже недостаточно и элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ, предназначенный для повышения помехоустойчивости устройства при переходных процессах в сети, уже играет негаивную роль. Кроме того, если в основной сети происходит авария и напряжение снижается до нуля, а в резервной сети частота или напряжение просто выходит из зоны допуска, например, стали выше предельно допустимого значения из-за отсутствия нагрузки на клеммах генератора переменного тока, то согласно выполняемой дешифратором функции, ответственный потребитель остается подключенным к основной сети, на которой отсутствует напряжение питания.

Целью изобретения является обеспечение бесперебойного снабжения электроэнергией ответственных потребителей.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для автоматического переключения нагрузки с одного источника переменного тока на другой, содержащее дешифратор, выход которого подключен к исполнительному элементу, а входы - к выходам двух идентичных блоков контроля качества электроэнергии, каждый из которых содержит два датчика напряжения, два пороговых элемента, схему контроля частоты, три элемента ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ и три элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выходы которых являются выходами блока контроля качества электроэнергии, причем входы датчиков напряжения и схемы контроля частоты подключены к контролируемому источнику напряжения переменного тока, выход первого датчика напряжения подключен к входу первого порогового элемента, выход которого через первый элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ подключен к входу первого элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выход второго датчика напряжения подключен к входу второго порогового элемента, выход которого через второй элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ подключен к входу второго элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выход схемы контроля частоты через третий элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ подключен к входу третьего элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, в каждый блок контроля качества электроэнергии устройства дополнительно введены четвертый элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ, четвертый элемент ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ и схема контроля провалов напряжения, вход которой подключен к контролируемому источнику напряжения переменного тока, а выход - через четвертый элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ к входу четвертого элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выход которого является четвертым выходом блока контроля качества электроэнергии.

Применение пороговых элементов и элементов задержки известно в устройстве для автоматического переключения нагрузки с одного источника переменного тока на другой (2), где используются соответственно для контроля предельно допустимого отклонения напряжения и исключения звонкового режима работы устройства во время переходных процессов в электрической сети. В предлагаемом устройстве дополнительно введенные схема контроля провалов напряжения, реагирующая на провалы напряжения более 50% от номинального значения, а четвертый элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ, длительность формируемой задержки которого зависит от величины емкости конденсаторов в фильтрах питания ответственного потребителя и его тока потребления (с учетом отсутствия подзаряда конденсаторов), в совокупности с восьмивходовым дешифратором позволяют обеспечить при аварийных режимах в электрической сети бесперебойное снабжение электроэнергией ответственных потребителей.

Таким образом у предлагаемого устройства появляется свойство, позволяющее обеспечить бесперебойное снабжение электроэнергией ответственных потребителей, которое не совпадает со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях, и которое не равно сумме этих свойств.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.

Предлагаемое устройство состоит из идентичных блоков 1 и 2 контроля качества электроэнергии, выходы которых через дешифратор 3 подключены к исполнительному элементу 4. Каждый блок 1 и 2 содержит датчики 5 и 6 напряжения, пороговые элементы 7 и 8, схему 9 контроля частоты, схему 10 контроля провалов напряжения, элементы 11-14 ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ и элементы 15-18 ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выходы которых являются выходами блоков 1 и 2, причем входы датчиков 5 и 6, схем 9 и 10 подключены к контролируемому источнику напряжения переменного тока, выход датчика 5 напряжения подключен к входу порогового элемента 7, выход которого через элемент 11 подключен к входу элемента 15, выход датчика 6 напряжения подключен к входу порогового элемента 8, выход которого через элемент 12 подключен к входу элемента 16, выход схемы 9 через элемент 13 подключен к входу элемента 17, выход схемы 10 через элемент 14 подключен к входу элемента 18.

Схема 10 контроля провалов напряжения состоит из датчика 19 напряжения и порогового элемента 20, вход которого подключен к выходу датчика 19.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подключении его к источникам переменного тока на выходе датчиков 5,6 и 19 напряжения блоков 1 и контроля качества электроэнергии появляется выпрямленное и сглаженное напряжение, пропорциональное напряжению контролируемой сети (фиг. 2а). Если величина этого напряжения находится в зоне предельно допустимых значений, то на выходе порогового элемента 7, реагирующего на максимально допустимое значение напряжения контролируемой сети, на выходе порогового элемента 8, реагирующего на минимально допустимое значение напряжения, и на выходе порогового элемента 20, реагирующего на провал напряжения более 50% от номинального значения, устанавливается состояние логической "1" и соответственно на выходе элементов 11, 12 и 14 также устанавливается состояние логической "1" (фиг.2б,в,д,е,з,и).

Аналогично, если частота контролируемой сети находится в зоне предельно допустимых значений, то на выходе схемы 9 и элемента 13 устанавливается состояние логической "1" (фиг.2л,м).

Как только на выходе элементов 11-14 устанавливается состояние логической "1", через время τ₁ , равное допустимому периоду отклонения напряжения и частоты в повторно кратковременном режиме на клеммах потребителя (составляющее несколько секунд), состояние логической "1" устанавливается соответственно на выходе элементов 15-18 (фиг.2г,ж,к,н). (При питании устройства от оперативного источника состояние логической "1" на выходе порогового элемента 7, элемента 11 и соответственно на выходе элемента 15 может быть установлено до подключения к контролируемым источником переменного тока (фиг.2б,в,г).

Сигналы с выходов элементов 15-18 блоков 1 и 2 поступают на дешифратор 3, который, анализируя состояния выходов этих элементов, подает необходимую команду исполнительному элементу 4. При этом дешифратор 3 реализует следующую функцию:
где О_нв и Р_нв - верхняя уставка по напряжению соответственно основной и резервной сетей находится в зоне допуска (с инверсией - вышла из зоны допуска);
О_нн и Р_нн - нижняя уставка по напряжению соответственно основной и резервной сетей находится в зоне допуска (с инверсией - вышла из зоны допуска);
О_ч и Р_ч - частота соответственно основной и резервной сетей находится в зоне допуска (с инверсией - вышла из зоны допуска);
О_п и Р_п - уставка провала напряжения на 50% соответственно основной и резервной сетей находится в зоне допуска (с инверсией - вышла из зоны допуска).

Как только величина контролируемого напряжения выходит за зону предельно допустимых значений, т.е. становится больше максимально допустимого значения U_в или меньше минимально допустимого значения U_н(фиг.2а), то соответственно на выходе элемента 7 или элемента 8 устанавливается состояние логического "0". Если длительность этого отклонения превышает время задержки соответственно элемента 11 или 12 ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ, т.е. если τ₄>τ₅ или τ₂>τ₃ , то на выходе одного из последних и соответственно на выходе элемента 15 или 16 ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ через время соответственно τ₅ или τ₃ также установится состояние логического "0" (фиг.2б,в,г,д,е,ж).

Аналогично, если частота контролируемой сети выходит за зону предельно допустимых значений, то на выходе схемы 9 контроля частоты устанавливается состояние логического "0" и если длительность этого отклонения превышает время задержки элемента 13 ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ, т.е. если τ₆>τ₇ , то на выходе последнего и на выходе элемента 17 ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ через время τ₇ также устанавливается состояние логического "0" (фиг.2л,м,н).

В случае провала напряжения контролируемой сети более чем на 50% (зона U_п фиг. 2а) состояние логического "0" устанавливается на выходе порогового элемента 20 и через время τ₈ , значительно меньшее длительности провала напряжения в сети и длительности задержки τ₃элемента 12 ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ, состояния логического "0" устанавливается на выходе элемента 14 ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ и на выходе элемента 18 ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ (фиг.2з,и,к).

Если отклонения напряжения или частоты имеют кратковременный характер и длительность этих отклонений не превышает времени задержек, создаваемых элементами 11-14 (например, когда τ₉<τ₃ , фиг.2а,д,е), то на выходе последних сохраняется состояние логической "1".

В то же время, если период повторно кратковременных колебаний напряжения и (или) частоты электрической сети меньше τ₁ , то на выходе элементов 15-18 удерживается состояние логического "0". Это позволяет в данной ситуации исключить появление звонкового режима.

Таким образом предлагаемое устройство за счет использования восьмивходового дешифратора с указанной функцией работы и дополнительно введенных в каждый блок контроля качества электроэнергии схем контроля провалов напряжения обеспечивает по сравнению с прототипом бесперебойное снабжение электроэнергией ответственных потребителей как в случае внезапного провала напряжения более чем на 50% от номинального значения, так и в случае, когда в основной сети происходит авария и напряжение снижается до нуля, а в резервной сети частота или напряжение просто выходит из зоны допуска, например, стали выше предельно допустимого значения из-за отсутствия нагрузки на клеммах генератора переменного тока.

Возможность достижения поставленной цели подтверждена испытаниями макетного образца, которые проходили в условиях максимально приближенных к реальным судовым электрическим сетям.

Сущность изобретения: устройство содержит дешифратор, исполнительный элемент и два идентичных блока контроля качества электроэнергий, каждый из которых содержит два канала контроля напряжения, состоящие из последовательно включенных датчика напряжения, порогового элемента, элемента ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ и элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, и канал контроля частоты, состоящий из последовательно включенных схемы контроля частоты, элемента ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ и элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ; выходы элементов ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ являются выходами блоков контроля качества электроэнергии. При этом в состав каждого блока контроля качества электроэнергии дополнительно введен канал контроля провалов напряжения, состоящий из последовательно включенных схемы контроля провалов напряжения, элемента ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ и элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выход которого является четвертым выходом блока контроля качества электроэнергии. Дополнительно введенные схема контроля провалов напряжения, реагирующая на провалы напряжения более 50% от номинального значения, и четвертый элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ, длительность формируемой задержки которого зависит от величины емкости конденсаторов в фильтрах питания ответственного потребителя и его тока потребления, в совокупности с восьмивходовым дешифратором позволяют обеспечить при аварийных режимах в электрической сети бесперебойное снабжение электроэнергией ответственных потребителей. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗКИ С ОДНОГО ИСТОЧНИКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА НА ДРУГОЙ, содержащее дешифратор, выход которого подключен к исполнительному элементу, а вход - к выходам двух идентичных блоков контроля качества электроэнергии, каждый из которых содержит два датчика напряжения, два пороговых элемента, схему контроля частоты, три элемента ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ и три элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выходы которых являются тремя выходами блока контроля качества электроэнергии, причем входы датчиков напряжения и схемы контроля частоты подключены к контролируемому источнику напряжения переменного тока, выход первого датчика напряжения подключен к входу первого порогового элемента, выход которого через первый элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ подключен к входу первого элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выход второго датчика напряжения подключен к входу второго порогового элемента, выход которого через второй элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ подключен к входу второго элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выход схемы контроля частоты через третий элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ подключен к входу третьего элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, отличающееся тем, что, с целью обеспечения бесперебойного снабжения электроэнергией ответственных потребителей, в каждый блок контроля качества электроэнергии устройства дополнительно введены четвертый элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ, четвертый элемент ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ и схема контроля провалов напряжения, вход которой подключен к контролируемому источнику напряжения переменного тока, а выход через четвертый элемент ЗАДЕРЖКА ИСЧЕЗНОВЕНИЯ - к входу четвертого элемента ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ, выход которого является четвертым выходом блока контроля качества электроэнергии, причем на выходе дешифратора реализуется следующая функция:

где 1П₁₅, 1П₁₆, 1П₁₇, 1П₁₈ - состояние логической 1 на выходе соответственно элементов первого, второго, третьего и четвертого элементов ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ первого блока контроля качества электроэнергии;
2П₁₅, 2П₁₆, 2П₁₇, 2П₁₈ - состояние логической 1 на выходе соответственно элементов первого, второго, третьего и четвертого элементов ЗАДЕРЖКА ПОЯВЛЕНИЯ второго блока контроля качества электроэнергии.