УСТРОЙСТВО КОМБИНИРОВАННОЙ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНЫХ НАГРУЗОК Российский патент 1997 года по МПК H02H7/85 H02H3/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в защитных условиях трехфазных симметричных и несимметричных нагрузок.

Известное устройство комбинированной защиты [1] содержащее датчик тока, исполнительный элемент и исполнительный орган, в которых в качестве задающего элемента используется RC-цепь, а в цепи управления исполнительным органом использован стабилитрон.

Недостатком такого устройства является невозможность защиты при несимметричной сети или нагрузке, дискретность установки кратности перегрузки, значительное влияние на точность срабатывания технологических разбросов элементов, входящих и токозадающие цепи.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является выбранное в качестве прототипа устройство комбинированной защиты [2] содержащее исполнительный орган, включенный в каждую из фаз сети, датчик перегрузки, включенный в одну из фаз, устройство управления, выполненное на операционных усилителях, и исполнительный элемент, воздействующий на исполнительный орган.

Недостатком известного устройства является отсутствие регулировки защиты (жестко фиксируется отношение минимального тока к максимальному), невозможность защиты при несимметричных режимах, отсутствие контроля состояния нагрузки, большое собственное потребление на мощных резистивных делителях, сложность устройства.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и улучшение показателей надежности.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем исполнительный орган, включенный в каждую из фаз сети, датчик перегрузки, блок управления, исполнительный элемент, датчик перегрузки включен в две из трех фаз, выполнен в виде трансформаторов тока с резистивной нагрузкой, подключенный к двум схемам выпрямления, блок управления выполнен в виде стабилизатора напряжения с последовательно включенными в потенциальный положительный входной вывод первым ограничительным резистором, трех делителей напряжения, подключенных одними выводами к общему выходному отрицательному выводу стабилизатора напряжения, другими соответственно к выводу первого ограничительного резистора, соединенного с конденсатором первого сглаживающего фильтра, и положительному выводу конденсатора времязадающей цепи, компаратора, первый вход которого подключен через второй ограничительный резистор к потенциальному выходу стабилизатора напряжения, второй к RC-фильтру подключенного к выходу первого пассивно-резистивного делителя, выход упомянутого компаратора подключен к выходу первого ключа, являющегося элементом активно-резистивного делителя, эмиттер транзистора которого подключен к общему отрицательному выходному выводу, выход упомянутого ключа подключен к времязадающей цепи, содержащей коллекторный резистор первого ключа, резистор, подключенный параллельно цепи разряда, содержащей последовательно включенный резистор и диод, и конденсатор, подключенный положительным выводом к точке соединения упомянутых резистора и анода диода цепи разряда, отрицательным к общему выходному отрицательному выводу стабилизатора напряжения, параллельно включен второй пассивно-резистивный делитель, выход которого через спусковое устройство подключен к выходу второго ключа, эмиттер которого подключен к общему отрицательному выходному выводу стабилизатора напряжения, в цепи коллектора первым выводом включен исполнительный элемент, второй вывод которого подключен к положительному выводу конденсатора второго сглаживающего фильтра, причем контакты исполнительного элемента включены в цепь исполнительного органа.

Кроме того, устройство отличается тем, что компаратор выполнен на двух элементах И-НЕ, входами которого являются вход первого элемента, выходом - точка соединения между первым и вторым элементами, выход которого подключен через третий ограничительный резистор ко второму входу первого элемента, являющегося вторым входом коммутатора, спусковое устройство выполнено на двух инверторах, между выходом второго и входом первого установлен четвертый ограничительный резистор, а к выходу второго элемента компаратора через пятый ограничительный резистор подключена входная цепь третьего ключа, эмиттер которого подключен к отрицательному выходу стабилизатора, коллектор через шестой ограничительный резистор и светодиод к положительному выходу стабилизатора.

Кроме того, в устройство введен дополнительный источник постоянного напряжения и четвертый двухкаскадный ключ на транзисторах разного типа проводимости, эмиттер второго транзистора упомянутого ключа подключен к общему отрицательному выходному выводу стабилизатора напряжения, коллектор первого транзистора к положительному выводу конденсатора первого сглаживающего фильтра, а эмиттер первого транзистора к одному из выводов кнопки деблокировки, включенной последовательно в цепь дополнительного источника постоянного напряжения в цепь однофазного источника переменного напряжения включены последовательно пусковая кнопка, кнопка останова, второй исполнительный элемент и управляющий симистор, причем параллельно пусковой кнопке включен управляющий контакт второго исполнительного элемента, в цепь управления симистором последовательно включен восьмой ограничительный резистор и управляющий контакт первого исполнительного элемента, а вход четвертого двухкаскадного ключа через седьмой ограничительный резистор подключен ко входу второго ключа.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых узлов и связей (например компараторов, нового датчика, спускового устройства) и связями с остальными узлами элемента.

Таким образом, заявленное устройство является новым, т.к. неизвестно из уровня техники.

Сравнение заявленного устройства с другими техническими решениями показывает, что при введении новых узлов с указанными связями с остальными элементами появляются новые свойства, такие, как расширение функциональных возможностей и повышенная надежность.

Это позволяет сделать вывод о том, что техническое решение имеет изобретательский уровень, т.к. для авторов оно явным образом не следует из уровня техники.

На чертеже изображена структурно-принципиальная схема устройства.

Устройство содержит два датчика тока 1, 2, включенных в любые две из трех фаз нагрузки и нагруженных на резисторы 3, 4, (одно или двухполупериодных, например схемы Греца) 5, 6, соединенных параллельно первому сглаживающему фильтру 7, в силовую шину через первый ограничительный резистор 8 подключен стабилизатор напряжения 9 (например параметрический стабилизатор с усилительным транзистором), выход которого подключен к второму сглаживающему фильтру 10, к суммарному источнику, т.е. к положительному выводу конденсатора 7 и общему отрицательному выводу стабилизатора напряжения, подключен первый пассивно-резистивный делитель 11, выход которого соединен с RC-фильтром, состоящим из элементов 12, 13, точка соединения которых является вторым входом компаратора 14, первый вход которого через второй ограничительный резистор 15 подключен к положительной потенциальной шине выходу стабилизированного источника напряжения 9, компаратор 14 может быть выполнен, например, на двух элементах И-НЕ 16, 17, входами которого являются выходы первого элемента, выходом точка соединения между первым и вторым, и между выходом второго элемента 17, и вторым входом первого установлен третий резистор 18. Выход компаратора 14 подключен через резистор 19 к входу первого ключа на транзисторе 20, являющегося элементом активно-резистивного делителя совместно с резистором 21, выход ключа 20 подключен к времязадающей цепи, содержащей элементы 21, 22, 23, 24, 25.

Элементы 23, 24 представляют собой цепь разряда, первый вывод резистора 21 подключен к положительной (потенциальной) выходной шине (выходу) стабилизатора напряжения 9, второй вывод к коллектору первого ключа 20 и точке соединения первых выводов резисторов 22, 23, второй вывод резистора 23 подключен к катоду диода 24, анод которого подключен ко второму выводу резистора 22 и положительному выводу конденсатора 25, отрицательный вывод которого совместно с эмиттером первого ключа 20 подключен к общей шине - выходу стабилизатора напряжения 9. К конденсатору 25 подключен второй пассивно-резистивный делитель 26, выход которого связан с выходом спускового устройства 27, содержащего, например, два инвертора 28, 29, между выходом второго инвертора 29 и входом первого установлен четвертый резистор 30, выход спускового устройства через резистор 31 подключен к выходу второго ключа 32, подключенного к положительному потенциальному выходу стабилизатора напряжения 9, причем эмиттер второго ключа 32 подключен к общей отрицательной шине (выходу) стабилизатора напряжения 9, в выходной цепи ключа 32 включен первый исполнительный элемент 33, воздействующий на исполнительный орган 34, например магнитный пускатель, и отключающий нагрузку 35.

Для контроля и сигнализации установлен третий ключ 36, входная цепь которого через пятый резистор 37 подключена к выходу второго элемента 17 компаратора 14, выходная через шестой резистор 38 и светодиод 39 к потенциальному выходу источника стабилизированного напряжения, т.е. положительному выходу стабилизатора.

Для уменьшения токопотребления в качестве элементов 16, 17, 28, 29 могут использоваться элементы КМОП-логики (например, К 561 ЛА7), не требующие стабилизированного напряжения.

Через кнопку деблокировки 40 к дополнительному источнику постоянного напряжения + U_доп 41, напряжение которого может быть близким к напряжению, на конденсаторе 7 подключен четвертый двухкаскадный ключ на составном транзисторе разных типов проводимости, эмиттер первого транзистора 42 подключен к одному из выводов кнопки деблокировки 40, его коллектор к положительному выводу первого емкостного фильтра 7, эмиттер второго транзистора 43 подключен к общему выходному отрицательному выводу, а его база, являющаяся входом 4-го ключа, через 7-й ограничительный резистор 44 ко входу второго ключа.

Второй исполнительный элемент 45 включен последовательно в цепь U ≈ 46 (любой однофазный источник имеющейся трехфазной сети) совместно с пусковой кнопкой 47 и кнопкой останова 48, параллельно кнопке 47 включен управляющий контакт 49 второго исполнительного элемента 45, а последовательно с элементом 45 управляющий симистор 50, т.е. в цепь источника 46 последовательно включены элементы 45, 47, 48, 50. В цепь управления симистором включены последовательно 8-й ограничительный резистор 51 и управляющий контакт 52 первого исполнительного элемента 33.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме работы через трансформаторы тока 1 и 2 проходит ток, не превышающий нормального значения I_ном., устройство защиты находится в дежурном режиме, потребляя при этом минимальное количество энергии. Напряжение на нагрузочных резисторах 3, 4 трансформаторов тока 1, 2 таково, что напряжение на нижнем плече делителя 11 недостаточно для включения компаратора 14, и на выходе его сигнал лог "1" открывает ключ на транзисторе 20. Конденсатор 25 через разрядную цепь 23, 24 полностью разряжен. Спусковое устройство 27 находится в положении, при котором ключ на транзисторе 32 закрыт, исполнительный элемент 33 отключен, исполнительный орган 34 включен и нагрузка 35 подключена к трехфазному напряжению. На выходе элемента 17 компаратора 14 сигнал лог "О", ключ 36 закрыт и светодиод 39 отключен, т.е. не светится.

В аварийном режиме работы, когда через трансформаторы тока 1, 2 (или одного из них) проходит ток, больший 1 ном.увеличивается напряжение на резисторах 3, 4, зависящее от величины тока нагрузки. Увеличивается напряжение на нижнем плече делителя 11, и, при достижении определенного порога, закрывается ключ на транзисторе 20. Аналогичное напряжение подается на времязадающую цепь 21, 22, 25. Время заряда конденсатора 25 будет определяться величиной входного напряжения, т.е. реализуется обратная зависимость времени заряда от кратности перегрузки: чем больше ток перегрузки, тем меньше время заряда элемента 25. Если же за время заряда конденсатора напряжение на нижнем плече делителя стало ниже порога срабатывания (U_пор), например, уменьшилась нагрузка, закончился запуск электродвигателя, то компаратор 14 переходит в исходное состояние и конденсатор 25 быстро разряжается через элементы 23, 24 и открытый ключ 20. Если напряжение продолжает превышать U_пор, то конденсатор 25 заряжается до уровня, задаваемого верхним плечом делителя 26, при котором срабатывает спусковое устройство 27, включая ключ на транзисторе 32 и первый исполнительный элемент 33, который, воздействуя на исполнительный орган 34, отключает нагрузку 35 от трехфазной сети. Одновременно включается ключ на транзисторе 36 и сигнал с элемента 39 свидетельствует об аварийном состоянии нагрузки.

Для того, чтобы устройство защиты до выяснения причин аварийного состояния не срабатывало при включении трехфазной силовой сети, предусмотрено устройство деблокировки, содержащее элементы 40-44. Включение устройства происходит путем нажатия кнопки 47, включается второй исполнительный элемент 45, управляющий симистор 46 включен, т.к. второй ключ 32 закрыт и управляющий контакт 52 замкнут, включается управляющий контакт 49, т.е. осуществляется режим самоблокировки. При срабатывании в аварийном состоянии первого исполнительного элемента 33 размыкается его управляющий контакт 52 в цепи управления симистором 50, в результате чего через силовые контакты 33 первого исполнительного элемента размыкается цепь управления исполнительным органом 34. Повторного включения нажатием пусковой кнопки 47 не произойдет, т. к. включится четвертый двухкаскадный ключ на транзисторах 42, 43 и затем второй ключ на транзисторе 32. Первый исполнительный элемент 33 в этом режиме будет включен, т.е. его управляющий симистор 50 отключен.

Только после деблокировки, т.е. нажатия кнопки 40 размыкается цепь управления вторым ключом 32, замыкается управляющий контакт 52 и устройство защиты нажатием пусковой кнопки 47 подготовлено к следующему включению; с другой стороны, в нормальном режиме работы четвертый двухкаскадный ключ закрыт и не препятствует управлению нагрузкой с помощью элементов 47 и 48.

Использование: изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в защитных устройствах трехфазных симметричных (асинхронных электродвигателей) и несимметричных нагрузок. Цель, достигаемая изобретением, заключается в расширении функциональных возможностей и увеличении показателей надежности устройства защиты. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем исполнительный орган 34 и исполнительный элемент 33, датчик выполнен в виде трансформаторов тока 12 с резистивной нагрузкой 3,4 трех делителей напряжения 11, 26, 20, 21, компаратора 14 и спускового устройства 27, которое в аварийном режиме воздействует на исполнительный механизм и исполнительный орган 34, создавая перегрузочную характеристику (т. е. зависимость времени перегрузки от ее кратности) гиперболического типа. При этом компаратор и спусковое устройство могут быть выполненными на дискретных элементах цифровой логики. Для осуществления деблокировки используется дополнительный источник с кнопкой, включенный в цепь третьего ключа 36, управляющего вторым ключом 32 и исполнительным элементом 33. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство комбинированной защиты трехфазных нагрузок, содержащее исполнительный орган, включенный в каждую из фаз сети, датчик перегрузки, блок управления и исполнительный элемент, отличающееся тем, что датчик перегрузки включен в две из трех фаз, выполнен в виде трансформаторов тока с резистивной нагрузкой, подключенной к двум схемам выпрямления, блок управления выполнен в виде стабилизатора напряжения с последовательно включенным в потенциальный положительный входной вывод первым ограничительным резистором, трех делителей напряжения, подключенных одними выводами к общему выходному отрицательному выводу стабилизатора напряжения, другими соответственно к выводу первого ограничительного резистора, соединенного с конденсатором первого сглаживающего фильтра, и положительному выводу конденсатора времязадающей цепи, компаратора, первый вход которого подключен через второй ограничительный резистор к потенциальному положительному выходу стабилизатора напряжения, второй к RС-фильтру, подключенному к выходу первого пассивно-резистивного делителя, выход компаратора подключен к входу первого ключа, являющегося элементом активно-резистивного делителя, эмиттер транзистора которого подключен к общему отрицательному выходному выводу стабилизатора напряжения, выход упомянутого ключа подключен к времязадающей цепи, содержащей коллекторный резистор первого ключа, резистор, подключенный параллельно цепи разряда, содержащей последовательно включенные резистор и диод, и конденсатор, подключенный положительным выводом к точке соединения резистора и анода диода цепи разряда, отрицательным к общему выходному отрицательному выводу стабилизатора напряжения, параллельно конденсатору включен второй пассивно-резисторный делитель, выход которого через спусковое устройство подключен к входу второго ключа, эмиттер которого подключен к общему отрицательному выходному выводу стабилизатора напряжения, в цепи коллектора первым выводом включен исполнительный элемент, второй вывод которого подключен к положительному выводу конденсатора второго сглаживающего фильтра, причем контакты исполнительного элемента включены в цепь исполнительного органа. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что компаратор выполнен на двух элементах И-НЕ, входами которого являются входы первого элемента, выход - точка соединения между первым и вторым, выход которого подключен через третий ограничительный резистор к второму входу первого элемента, являющемуся вторым входом компаратора, а спусковое устройство выполнено на двух инверторах, между выходом второго и входом первого установлен четвертый ограничительный резистор, а к выходу второго элемента компаратора подключена через пятый ограничительный резистор входная цепь третьего ключа, эмиттер которого подключен к отрицательному выходу стабилизатора напряжения, а коллектор через шестой ограничительный резистор и светодиод к потенциальному положительному выходу стабилизатора. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что введен дополнительный источник постоянного напряжения и четвертый двухкаскадный ключ на транзисторах разного типа проводимости, эмиттер второго транзистора упомянутого ключа подключен к общему отрицательному выходному выводу стабилизатора напряжения, коллектор первого транзистора к положительному выводу конденсатора первого сглаживающего фильтра, а эмиттер первого транзистора к одному из выводов кнопки деблокировки, включенной последовательно в цепь дополнительного источника постоянного напряжения, в цепь однофазного источника переменного напряжения включены последовательно пусковая кнопка, кнопка останова, второй исполнительный элемент и управляющий симистор, причем параллельно пусковой кнопке включен управляющий контакт второго исполнительного элемента, в цепь управления симистором последовательно включен восьмой ограничительный резистор и управляющий контакт первого исполнительного элемента, а вход четвертого двухкаскадного ключа через седьмой ограничительный резистор подключен к входу второго ключа.