СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02H9/02 H02H3/16 

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к аппаратуре защиты, и может быть использовано для обеспечения безопасной эксплуатации различных электроприборов, в том числе бытовых, и электроинструмента (в дальнейшем электроприборов), в тех случаях, когда требуется автоматическое включение питания электроприборов после временного исчезновения питающего напряжения в сети, или исчезновения факторов, вызвавших срабатывание устройства защитного отключения (например холодильники).

Известен и широко применяется в технике способ защиты людей от поражения электрическим током путем заземления корпуса электроприбора [1] однако в этом случае необходимо наличие в электропроводке третьего, защитного провода, соединенного с землей, который отсутствует в бытовой электропроводке в странах СНГ и некоторых других странах. Известен также способ защиты людей от поражения электрическим током в сетях, не имеющих третьего, защитного провода путем использования специальных устройств защитного отключения [2, 3, 4] но при срабатывании их защищаемый электроприбор отключается от сети и остается отключенным даже после того, как прекратилось действие факторов, вызвавших отключение, после временного исчезновения напряжения в питающей сети электроприбор также остается отключенным, так как для включения питания на защищаемый прибор после подачи напряжения на входные клеммы устройства защитного отключения, либо после срабатывания защиты необходимо нажать кнопку включения. Это ограничивает область применения устройств защитного отключения, так как существуют приборы, для нормальной работы которых недопустимы неоправданные перерывы в электроснабжении.

В известных устройствах защитного отключения [2, 3, 4] после срабатывания защиты устройство обесточивается вместе с защищаемым электроприбором, и для повторного включения электроприбора после исчезновения причин, вызвавших срабатывание защиты, должна быть нажата кнопка включения. При временном исчезновении напряжения в сети защищаемый электроприбор также останется выключенным до тех пор, пока не будет нажата кнопка включения. Это существенно ограничивает область применения устройства, так как для многих электроприборов недопустимы неоправданные длительные перерывы в подаче питающего напряжения (например холодильники).

К недостаткам устройства [2] относится то, что оно не отключает электроприбор сразу после нарушения изоляции, а срабатывает лишь только после того, как по телу человека, прикоснувшегося к корпусу неисправного электроприбора и заземленному предмету, потечет опасный для жизни ток.

Недостатками устройства [3] является то, что оно реагирует не на ток утечки, а на потенциал на корпусе устройства, что вызывает ложные срабатывания, а также необходимость фиксированного подключения к нулевому и фазному проводу питающей электросети, что исключает использование устройства для защиты бытовых электроприборов.

Устройство [4] свободно от указанных выше недостатков устройств [2] и [3] но имеет общий с ними недостаток после включения питающего напряжения (например после временного его исчезновения), или срабатывания по какой либо причине, электроприбор остается отключенным от сети до его принудительного включения человеком, даже если исчезли причины, вызвавшие срабатывание устройства. Это существенно ограничивает область применения устройства, так как существуют электроприборы, которые должны быть все время подключены к электросети, а их неоправданное отключение на длительный срок может привести к нежелательным последствиям (например холодильники).

Цель изобретения состоит в обеспечении безопасной эксплуатации электроприборов, корпус которых не заземляется, в сети с заземленной нейтралью, для нормальной работы которых недопустимы неоправданные перебои в электроснабжении, их обесточиванием при появлении факторов, могущих вызвать поражение электрическим током (уменьшении сопротивления изоляции, прикосновении человека к корпусу электроприбора и к заземленному предмету), и автоматическим включением питания электроприбора после прекращения действия указанных выше факторов, а также после появления напряжения в питающей сети.

Указанная цель достигается тем, что после отключения питания защищаемого электроприбора при срабатывании устройства защитного отключения, по рабочей цепи электроприбора пропускается ток, величина которого ограничена на безопасном для человека уровне, при это контролируют величину тока в цепи, связанной с корпусом электроприбора, и, в случае, если величина тока в этой цепи ниже тока уставки, при котором включается питание, вновь подают напряжение питания на защищаемый электроприбор, при этом величина тока уставки, при котором включается питание, существенно ниже тока уставки срабатывания защиты устройства защитного отключения.

Устройство для осуществления способа свободно от указанных выше недостатков устройств [2, 3, 4] но сохранило все их положительные качества, то есть обеспечение отключения электроприбора от сети при появлении предпосылок поражения электрическим током: уменьшение сопротивления изоляции ниже заданного предела или замыкание через тело человека корпуса электроприбора на любой из проводов сети или заземленный предмет даже при нормальном сопротивлении изоляции, а также автоматическое включение питания защищаемого электроприбора после появления напряжения на входе устройства либо после исчезновения причин, вызвавших его срабатывание.

Устройство содержит в качестве исполнительного элемента реле, нормально замкнутые контакты которого одним концом подключены к питающей сети, а другим к защищаемому электроприбору, параллельно контактам реле подключены элементы, ограничивающие ток, реле подключено к выходу ключевого элемента, вход ключевого элемента через пороговый элемент соединен с блоком контроля тока в цепи корпуса защищаемого электроприбора, блок контроля тока подключен к корпусу электроприбора и к питающей сети. При этом либо пороговый элемент, либо другие блоки обладают гистерезисом.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 принципиальная схема одного из вариантов устройства.

Разъем 1, 2 подключен к питающей сети, рабочая цепь защищаемого прибора 8 через контакты исполнительного элемента 4 и 6 соединена с питающей сетью. Параллельно контактам 4 и 6 подключены элементы 5 и 7, которые ограничивают ток в цепи защищаемого прибора после срабатывания защиты. Корпус электроприбора 9 соединен с блоком контроля тока в цепи корпуса прибора 10, имеющим также соединение с питающей сетью, выход блока 10 подключен через пороговый элемент 11 к ключевому элементу 13, который через выпрямитель 12 соединен с разъемом 1, 2, к выходу ключевого элемента подключена обмотка исполнительного элемента 3.

Рассмотрим работу устройства на примере блок-схемы. При подаче питающего напряжения на разъем 1, 2, оно через контакты исполнительного элемента подается на рабочую цепь защищаемого прибора 8. Если сопротивление изоляции обеспечивает ток в цепи, связанной с корпусом защищаемого электроприбора, меньше тока уставки срабатывания защиты, то сигнала, снимаемого с корпуса электроприбора 9, регистрируемого блоком контроля 10, недостаточно для открывания ключевого элемента 11, на его выходе сигнала нет, ключевой элемент 13 остается закрытым, а обмотка 3 исполнительного элемента обесточенной. При этом рабочая цепь защищаемого прибора остается запитанной через нормально замкнутые контакты 4 и 6 исполнительного элемента. При уменьшении сопротивления изоляции ниже предела, при котором ток в цепи корпуса электроприбора 9 становится больше тока уставки срабатывания защиты, сигнал на выходе блока контроля тока 10 становится больше порога срабатывания порогового элемента 11, на его выходе появляется сигнал, который открывает ключевой элемент 13, на выходе которого появляется напряжение, которое, попадая на обмотку исполнительного элемента 3, вызывает его срабатывание, контакты 4 и 6 исполнительного элемента размыкаются, и рабочая цепь защищаемого прибора отключается от сети. При этом, однако, ток по рабочей цепи продолжает течь за счет элементов, ограничивающих ток 5 и 7, причем величина этого тока ограничивается на безопасном для человека уровне. Хотя ток в цепи, связанной с корпусом электроприбора 9, уменьшился, если он остался больше тока уставки, при котором включается питание, пороговый элемент 11 и ключевой элемент 13 остаются открытыми, обмотка исполнительного элемента находится под током, и рабочая цепь электроприбора 8 остается подключенной к сети только через ограничивающие ток элементы 5 и 7. В этом состоянии устройство остается до тех пор, пока сопротивление изоляции не увеличится настолько, чтобы ток утечки стал меньше тока уставки, при котором включается питание. Тогда пороговый элемент 11 закроется, что вызовет закрывание ключевого элемента 13 и обесточивание обмотки исполнительного элемента 3. При этом контакты 4 и 6 исполнительного элемента замкнутся и на рабочую цепь электроприбора 8 будет подано напряжение питания. Выпрямитель 12 обеспечивает питание ключевого элемента 13 и, в случае если он открыт, обмотки исполнительного элемента 3.

Если человек даже при нормальном сопротивлении изоляции прикоснется к корпусу электроприбора и к заземленному предмету, то, так как один из проводов сети с глухозаземленной нейтралью заземлен, при прикосновении к корпусу прибора и заземленному предмету человек своим телом замыкает цепь между одним из проводов, идущих к защищаемому электроприбору 8 и корпусом прибора 9, при этом происходит срабатывание защиты и электроприбор отключается от сети. Как только человек перестанет касаться корпуса прибора 9, указанная цепь разомкнется, и на электроприбор вновь будет подано напряжение питания. Устройство работает при этом как было рассмотрено выше, только роль сопротивления утечки играет сопротивление тела человека. Надо подчеркнуть, что все блоки, связанные с корпусом прибора, должны содержать элементы, ограничивающие ток в указанной цепи на безопасном для человека уровне.

Ясно, что ток уставки, при котором включается питание, должен быть существенно меньше тока уставки срабатывания защиты. Необходимый для этого гистерезис может быть обеспечен как использованием в качестве ключевого элемента, имеющего гистерезис напряжений включения и выключения (динистор, однопереходный транзистор, ионный прибор и т.д.), так и схемным решением блоков устройства, обеспечивающим необходимый гистерезис.

Из рассмотрения блок-схемы устройства видно, что, так как питание на блоки устройства подается, минуя контакты исполнительного элемента 4 и 6, устройство начинает работать с момента, как только на входной разъем 1, 2 подается напряжение. При этом, если ток в цепи, связанной с корпусом электроприбора 9, меньше тока уставки срабатывания защиты, с момента, как только на входной разъем 1, 2 подается напряжение питания, запитывается и рабочая цепь защищаемого прибора 8.

Исполнительный элемент представляет собой электромагнитное реле или магнитный пускатель, в качестве элементов, ограничивающих ток могут быть использованы резисторы или конденсаторы соответствующих номиналов. Блок контроля тока должен иметь в своем составе резистор, включенный последовательно в цепь корпуса защищаемого электроприбора. Напряжение, снимаемое с указанного выше резистора через пороговый элемент, в качестве которого может использоваться один из известных элементов, обладающих порогом срабатывания (стабилитрон, динистор, однопереходный транзистор или его аналог, ионный прибор и т.д.), управляет ключевым элементом, представляющим собой усилитель, который может быть охвачен обратной связью, нагрузкой которого является управляющая обмотка исполнительного элемента. Гистерезис, необходимый для исключения периодических срабатываний У30 при токах утечки, близких к току уставки, может быть обеспечен как использованием в качестве ключевого элемента, элемента, имеющего гистерезис напряжений включения и выключения (динистор, однопереходный транзистор, ионный прибор и т.д.), так и включением последовательно с ограничивающими ток элементами диодов так, чтобы при включенной нагрузке использовалось однополупериодное выпрямление, а при выключенной двухполупериодное выпрямление.

Принципиальная схема одного из вариантов устройства, реализующего предложенный способ, приведена на фиг. 2.

Блоки, показанные на фиг. 1, состоят из следующих элементов, приведенных на фиг. 2:
Разъем 1, 2 Разъем 1, 2
Защищаемый прибор 8 Подключается к разъему 35, 30
Корпус защищаемого прибора 9 Подключается к разъему 22
Контакты исполнительного элемента 4 и 6 Контакты реле и 6
Токоограничивающие элементы 5 и 7 Резисторы 5 и 7 диоды 15, 16
Блок контроля тока (датчик тока) Элементы 17, 18, 19, 20, 21, 23
Пороговый элемент 11 Стабилитрон 11
Ключевой элемент 13 Элементы 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33
Выпрямитель 12 Диодный мостик 12
Обмотка исполнительного элемента 3 Обмотка реле 3.

Защищаемый электроприбор через разъем 35, 36, 22 соединяется с У30, при этом вывод 22 соединяется с корпусом защищаемого электроприбора. Устройство через выводы 1, 2 и предохранитель 14 соединяется с питающей сетью. У30 содержит электромагнитное реле 3 со своими нормально замкнутыми контактами 4 и 6, диоды 15, 16, 18 и 20 с включенными последовательно с ними ограничивающими ток резисторами 5, 7, 17 и 19, конденсатор 21, резистор 23, диодный мост 12, электролитический конденсатор 24, балластный резистор 25, стабилитрон 24, стабилитрон 11, первый и второй усиливающий транзисторы 28 и 32 со своими резисторами 27, 30, 29 и 31, представляющие собой ключевой элемент, а также диод 33.

Устройство работает следующим образом: после включения в сеть, если сопротивление изоляции обеспечивает ток в цепи, связанной с корпусом защищаемого электроприбора, меньше тока уставки, падение напряжения на резисторе 23 меньше напряжения открывания стабилитрона 11, транзисторы 28 и 32 закрыты, ток по обмотке реле не течет, и электроприбор через нормально замкнутые контакты 4 и 6 соединен с сетью. При уменьшении сопротивления между электрической цепью прибора и корпусом (например выводом 36 и 22) по цепи: клемма 2-замкнутый контакт реле 6-клемма 36-сопротивление изоляции электроцепи прибора-клемма 22-резистор 23-диод 18-резистор 17-клемма 1 течет ток. Диод 18 выпрямляет ток, и на резисторе 23 возникает падение напряжения, которое заряжает конденсатор 21. Величина этого напряжения определяется током, текущим по резистору 23 и величиной сопротивления этого резистора. Если падение напряжения на резисторе 23 превысит напряжение открывания стабилитрона 11, он открывается, часть тока с вывода 22 ответвляется через стабилитрон 11 и резистор 30 в цепь базы транзистора 28, который при этом открывается, на резисторе 29 появляется падение напряжения, которое через резистор открывает транзистор 32, реле 3 срабатывает, контакты 4 и 6 размыкаются, и основная цепь защищаемого электроприбора отключается от сети. При этом, однако, ток по основной цепи продолжает течь, хотя его величина и уменьшается за счет резисторов 5 и 7 до величины, не превышающей тока уставки. Хотя ток в цепи, связанной с корпусом электроприбора (вывод 22), уменьшился, падение напряжения на резисторе 23 увеличится из-за того, что после размыкания контактов 4 и 6 в выпрямлении сетевого напряжения участвуют все четыре диода 15, 16, 18 и 20 образующие мост, обеспечивающий двухполупериодное выпрямление (при замкнутых контактах 4 и 6 в выпрямлении участвует только один из диодов 18 или 20 в зависимости от того, с каким из проводов сети 1 или 2 уменьшилось сопротивление изоляции).

Устройство будет оставаться в этом состоянии до тех пор, пока ток в цепи вывода 22, соединенного с корпусом прибора, не уменьшится до уровня, при котором падение напряжения на резисторе 23 не станет меньше напряжения открывания стабилитрона 11. При этом ток в цепи базы транзистора 28 прекратится, он закроется, падение напряжения на резисторе 29 упадет до нуля, транзистор 32 также закроется, реле 3 отпустит, нормально замкнутые контакты 4 и 6 вновь подключат электроприбор к питающей сети. Таким образом ток в цепи корпуса электроприбора, при котором устройство отключат питание защищаемого прибора (ток уставки при срабатывании защиты), будет больше, чем ток, при котором устройство вновь подает питание на защищаемый электроприбор (ток отпускания защиты).

Это необходимо для устранения периодических срабатываний устройства при увеличении тока в цепи корпуса электроприбора, так как при срабатывании защиты ток в главной цепи электроприбора резко уменьшается за счет включения последовательно ограничивающих ток резисторов 5 и 7, которые окажутся включенными последовательно с сопротивлением утечки (выводы 35-22 либо 36-22). Это приведет к уменьшению тока в цепи, связанной с корпусом электроприбора через вывод 22, и отпусканию защиты, ток в главной цепи опять возрастет, защита опять сработает и так далее. При этом на корпусе электроприбора при каждом отпускании реле 3 в случае, если сопротивление изоляции уменьшено ниже допустимого предела, будет появляться опасное напряжение, что недопустимо.

Величины сопротивления резисторов 5, 7, 17, 19 и 30 выбраны таким образом, чтобы ток в цепи, связанной с корпусом прибора через клемму 22 в любом случае не превышал порога чувствительности человека и был совершенно безопасен (порядка 0,7 мА, что соответствует нормам МЭК).

При уменьшении сопротивления изоляции между корпусом и другим проводом сети (клемма 35) устройство работает аналогично. При этом ток течет по элементам 1, 4 (после срабатывания 5, 15), 35, сопротивление изоляции, 22, 23, 20, 19, 14, 2.

Устройство работает аналогично, если человек даже при нормальном сопротивлении изоляции прикоснется к корпусу электроприбора и к заземленному предмету: так как один из проводов сети с глухозаземленной нейтралью заземлен, то при прикосновении к корпусу прибора и заземленному предмету человек своим телом замыкает цепь 35 или 36-22, и устройство отключает прибор от сети. При этом величина тока через тело человека ограничена, как указывалось выше, резисторами 17, 19 на уровне ниже порога чувствительности. Резистор 34 обеспечивает нормальное функционирование устройства в случае, когда электрическая цепь внутри защищаемого прибора разомкнута (например пауза в работе компрессора холодильника). Диод 33 защищает транзистор 32 от выбросов самоиндукции реле. Диодный мост 12, конденсатор 24, резистор 25 и стабилитрон 26 обеспечивают питание транзисторов 28 и 32 и реле. Резисторы 30 и 31 ограничивают ток базы транзисторов. Предохранитель 14 обеспечивает защиту от коротких замыканий.

Таким образом, устройство срабатывает при появлении одной из предпосылок поражения электрическим током: либо уменьшении сопротивления изоляции ниже допустимого уровня, либо замыкание цепи корпус прибора-земля через тело человека даже при нормальном сопротивлении изоляции. Так как для поражения током необходимо одновременное выполнение этих двух условий, то рассматриваемое устройство обеспечивает чрезвычайно высокую степень защиты. В то же время устройство автоматически включает питание защищаемого прибора при первоначальном включении в сеть после временного исчезновения напряжения в питающей сети, а также после исчезновения причин, вызвавших его срабатывание.

Устройство предназначено для обеспечения безопасной эксплуатации электропотребителей (холодильники, стиральные машины, утюги, пылесосы, микроволновые печи и т.д.).

По коммутируемой мощности устройство принципиальных ограничений не имеет она определяется типом исполнительного элемента (реле).

Использование: в электротехнике для обеспечения безопасной эксплуатации электроприборов, когда приборы должны быть автоматически включены после их временного отключения от сети при аварии или исчезновении напряжения сети. Сущность: после отключения питания защищаемого электроприбора от устройства защитного отключения, по рабочей цепи электроприбора пропускают ток, величина которого ограничена на безопасном для человека уровне, при этом контролируют величину тока в цепи, связанной с корпусом электроприбора. Если величина тока в этой цепи ниже уставки, при котором можно включать питание, его подают на электроприбор. Величина уставки, при которой включают питание, существенно ниже уставки защитного отключения. Параллельно контактам исполнительного органа подключены ограничители тока, а контакты включены между питающей сетью и рабочей цепью электроприбора. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обеспечения безопасной эксплуатации электроприборов, корпус которых не заземлен, в сети с заземленной нейтралью, в котором производят защитное отключение электроприбора от сети при возникновении факторов, могущих вызвать поражение электрическим током или при исчезновении напряжения в питающей сети, после прекращения действия факторов, вызвавших отключение, вновь подключают прибор к питающей сети, отличающийся тем, что после отключения защищаемого электроприбора от питающей сети по рабочей цепи электроприбора пропускают ток, величина которого ограничена на безопасном для человека уровне, контролируют величину тока в цепи, связанной с корпусом прибора, и прекращение действия факторов, вызвавших отключение электроприбора или временное исчезновение питающего напряжения, фиксируют, если величина контролируемого тока ниже установки, определяющей допустимость подключения питания к электроприборам, а подключение электроприборов к питающей сети осуществляют автоматически, при этом величина тока уставки, при котором подключают питание, существенно ниже уставки защитного отключения. 2. Устройство для безопасной эксплуатации электроприборов, содержащее блок контроля тока, подключенный к корпусу электроприбора и соединенный через пороговый элемент с ключевым элементом, к выходу которого подключен исполнительный элемент, контакты которого включены между питающей сетью и рабочей цепью защищаемого электроприбора, причем ключевой элемент соединен через выпрямитель с питающей сетью, отличающееся тем, что параллельно контактам исполнительного элемента подключены ограничители тока, представляющие собой последовательно соединенные резистор и диод, блок контроля тока дополнительно содержит конденсатор, включенный параллельно измерительному резистору, два диода, включенных последовательно с резисторами и образующих вместе с диодами ограничителей тока диодный мост и обеспечивающих меньшую величину уставки тока при подключении электроприбора к сети, чем уставка тока при защитном отключении,