УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02H3/17 H02H5/12 

Устройство относится к электротехнике, в частности к автоматическим устройствам защиты людей от поражения электрическим током. Известны и широко используются устройства защитного отключения (УЗО), например, УЗОШ [1] УЗО-В [2] УЗО-В [3] и другие, содержащие датчик тока утечки 1, полупроводниковый пороговый элемент 2, транзисторный ключ 3, выходное реле 4, стабилитрон 5, конденсатор фильтра 6, выпрямитель 7 для питания порогового элемента и реле и токоограничивающий конденсатор 8 в цепи переменного тока выпрямителя. У всех известных устройств катушка выходного реле подключена через ключ параллельно цепям питания порогового элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному устройству является устройство типов УЗОШ, принятое нами за прототип.

Функциональная схема прототипа приведена на чертеже.

В прототипе напряжение 220 В через токоограничивающий конденсатор 8 с большим емкостным сопротивлением X_c подается на мостовой выпрямитель 7.

Выпрямленное и сглаженное конденсатором фильтра 6 напряжение подается на две параллельные ветви: катушку реле 4 с последовательно включенным транзисторным ключом 3; стабилизатор напряжения на стабилитроне 5 и полупроводниковый пороговый элемент 2.

Недостаток прототипа заключается в большой мощности, потребляемой от сети переменного тока, и недостаточной надежности устройства. Это объясняется тем, что устройство работает в двух режимах: режим А, при котором цепь катушки реле разомкнута и из сети через токоограничивающий конденсатор 8 идет ток I_А, равный сумме тока I_пэ, идущего через пороговый элемент, и тока I_ст.А, текущего через стабилитрон в режиме А (I_А I_пэ + I_ст.А); режим В, при котором цепь катушки реле замкнута и суммарный потребляемый ток I_в больше I_А приблизительно на величину тока I_р обмотки реле (I_в=I_пэ + I_ст.в + I_р), где I_ст.в новое значение тока, идущего через стабилитрон, в режиме В.

Очевидно, что сопротивление X_с токоограничивающего конденсатора 8 должно обеспечить прохождение наибольшего тока, соответствующего режиму В. В режиме А из сети будет течь в схему ток I_а≈I_в, так как величина этого тока определяется главным образом сопротивлением X_с конденсатора 8, а оно выбрано из условий режима В. При этом приращение тока ΔI I_в -I_а ≈ I_р добавится к току через стабилитрон 5 и вызовет повышенный его нагрев и, как следствие, снижение надежности всего устройства.

Другим серьезным общим недостатком аналогов и прототипа является их низкая помехоустойчивость, проявляющаяся в том, что устройство реагирует на электромагнитные колебания, возникающие при искрении коммутируемых электроприборов в параллельных розетках, и дает ложные отключения. При этом снижается надежность электроснабжения защищаемой электроустановки.

Целью изобретения является уменьшение потребляемой от сети мощности, повышение надежности и помехоустойчивости устройства.

Указанная цепь достигается тем, что в устройство дополнительно введены первый, второй и третий резисторы и второй стабилитрон, включенные так, что точка соединения первого вывода конденсатора фильтра с выходом выпрямительного моста соединена через первый введенный резистор с катушкой выходного реле и через второй введенный резистор с базой транзистора, другой конец катушки реле соединен с первым выводом первого стабилитрона, параллельно катушке реле с учетом полярности присоединены коллектор и эмиттер транзистора, база которого присоединена через последовательно соединенные третий резистор и второй стабилитрон к выходу порогового элемента. Повышение помехоустойчивости устройства достигается тем, что дополнительно вводится конденсатор, который одним выводом присоединен к выходу порогового элемента, а другим к одному из выходных контактов реле.

Устройство, схема которого приведена на чертеже, содержит датчик 1, пороговый элемент 2, транзистор 3, реле 4, стабилитрон 5, конденсатор фильтра 6, выпрямительный мост 7, токоограничивающий конденсатор 8 и введенные вновь резисторы 9 11, стабилитрон 12 и противопомеховый конденсатор 13.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При подаче на входные клеммы устройства напряжения 220 В в цепи переменного тока выпрямительного моста 7 устанавливается переменный ток, эффективное значение которого определяется из выражения:

где U_~ и U_ст.5 напряжение соответственно сети и стабилитрона 5;
R₉ и R₄ сопротивление резистора 9 и катушки реле 4;
X₈ емкостное сопротивление конденсатора 8.

Выпрямленный переменный ток, постоянная составляющая, (среднее значение) которого равно I_-= I_~/K_ф, где К_ф коэффициент формы, зависящей от степени фильтрации конденсатором 6, течет по двум параллельным цепям. Одна цепь, условно назовем ее "силовой", состоит из резистора 9, катушки реле 4, стабилитрона 5, напряжение U_ст.5 которого осуществляет питание порогового элемента 2. Другая цепь, назовем ее "управляющей", состоит из резистора 10, резистора 11 и стабилитрона 12.

Рассмотрим поочередно процессы в каждой цепи, начиная с "силовой", учитывая при этом, что ток в силовой цепи в 20 30 раз больше тока в цепи управления. На этом основании при рассмотрении процессов в силовой цепи ток в цепи управления не учитывается.

Из выражения (1) видно, что в тех случаях, когда X₈ > R_Σ R₉ + R₄, значение I_~ и I₌ мало зависят от изменения R_Σ. Поэтому, если коммутацию катушки реле 4 осуществлять шунтированием ее с помощью транзисторного ключа 3, то изменение токов I_~ и I₌ будут незначительными. Проиллюстрируем изложенное числовым примером, в котором числовые значения номиналов компонентов схемы соответствуют номиналам в реальном изделии: R₉ 820 Ом, R₄ 1400 Ом, C₈ 0,47 мФ, X₈ 6770 Ом, U_~= 220 B,, U_ст.5 30 В. Для этих значений имеем: в режиме А, когда катушка реле зашунтирована открытым транзистором, R_Σ R₉ и I_~= 27,8 мА; в режиме В, когда транзистор закрыт, R_Σ R₉ + R₄ и I_~= 26,6 мА.
Из этого примера видно, что в предложенном устройстве приращение тока в стабилитроне 5 при переходе из режима А в режим В незначительно (всего лишь 1,2 мА), а в прототипе это приращение в зависимости от примененного реле, составляет 25,30 мА.

Переходим к рассмотрению цепи управления транзистором. Как видно из схемы на фиг.2, непосредственное соединение выхода порогового элемента 2 с базой транзистора 3 не обеспечит переключение транзистора и состояние "открыто" из-за того, что потенциал на выходе элемента 2 в любом режиме ниже потенциала эмиттера. Поэтому заявляется схема управления транзистором, позволяющая смещать потенциал базы относительно эмиттера в интервале от -5 В при U_2.А≈0 В до +1,0 1,5 В при U_2.В ≥20 В.

Рассмотрим, как и в случае с прототипом, два режима: режим А, когда напряжение на выходе порогового элемента не превышает 2 В (U_2.А ≅ 2 В); режим В, когда U_2.В≈U_ст.5, т.е. когда пороговый элемент пришел в состояние логической единицы, (элемент "сработал").

В любом режиме в цепи с элементами 10-11-12-2 устанавливается ток:

где U₆, U_ст.12, U₂ напряжение соответственно на элементах 6, 12 и 2;
R₁₀, R₁₁ сопротивление резисторов 10 и 11.

Выразим потенциалы базы и эмиттера транзистора 3 относительно минусового полюса выпрямителя:

Напряжение между базой и эмиттером равно

При выборе определенных значений входящих в выражение (4) составляющих, например, для режима А, U_2.А 2 В, U_ст.12 8,2 В, U _ст.5 30 B, U₆ 60 В, R₁₀ 47 кОм, R₁₁ 20 кОм, получаем напряжение U_бэ.А -4,934 В. При этом напряжении в режиме А транзистор закрыт, а реле включено, так как через катушку проходит полностью ток I₌= I_~/K_ф.
В режиме В выходное напряжение порогового элемента U_2.В≥28 В. Подставив U_2.В 28 В в выражение (4) при прочих неизмененных значениях, получим U_бэ.В +13,3 В. Таким образом, в режиме В произошло изменение полярности напряжения на базе транзистора и он перешел в насыщенное состояние (открылся), зашунтировав катушку реле. Контакты реле при этом размыкаются.

Реально напряжение U_бэ.В не доходит до 13,3 В, а устанавливается на уровне напряжения p-n переход база-эмиттер транзистора, но для рассмотрения работы предложенного устройства это несущественно.

Предложенная схема обеспечивает практически неизменяемое потребление из сети тока в режимах А и В, в результате чего уменьшено значение номинала конденсатора В, исключена перегрузка стабилитрона 5, в целом повышена надежность устройства и снижены массогабаритные показатели.

Чувствительность устройства к электромагнитным помехам расчетным путем проанализировать не представляется возможным, поэтому повышение помехоустойчивости ведется опытным путем на основе лабораторных испытаний макетных и опытных образцов. Опытным путем установлено, что соединение через конденсатор 13 выхода порогового элемента 2 с землей или с любым проводом сети повышает помехоустойчивость устройства в режиме "готов" (режим А) и снижает помехоустойчивость в режиме "отключено" (режим В). Поэтому противопомеховый конденсатор 13 подключается к сети в режиме В, благодаря чему сохраняется помехоустойчивость и в этом режиме.

Технико-экономическая эффективность выражается в минимальном потреблении тока из сети, снижении рассеиваемой стабилитроном мощности и за счет этого повышение надежности устройства, а также повышения надежности электроснабжения защищаемой электроустановки за счет повышения помехоустойчивости устройства.

Использование: изобретение относится к электротехнике, в частности к автоматическим устройствам защиты людей от поражения электрическим током. Сущность изобретения: за счет введения трех резисторов 9 - 11 и второго стабилитрона 12, включенных так, что выход выпрямительного моста 7 соединен через первый резистор 9 с катушкой выходного реле 4 и через второй резистор 10 с базой транзистора 3, достигается повышение помехоустойчивости устройства. 1 з.п. ф-лы. 1 ил.

1. Устройство для защитного отключения в электрической сети переменного тока, содержащее датчик, соединенный своим выходом с входом порогового элемента, транзистор, выходное реле, первый стабилитрон, соединенный с конденсатором фильтра, подключенного параллельно выходу выпрямительного моста, в цепь переменного тока которого включен последовательно токоограничивающий конденсатор, отличающееся тем, что дополнительно введены первый, второй и третий резисторы и второй стабилитрон, включенные так, что выход выпрямительного моста соединен через первый резистор с катушкой выходного реле и через второй резистор с базой транзистора, другой конец катушки реле соединен с другим выводом первого стабилитрона, параллельно катушке выходного реле с учетом полярности подключен коллекторно-эмиттерный переход транзистора, база которого присоединена через последовательно соединенные третий резистор и второй стабилитрон к выходу порогового элемента. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введен конденсатор, который соединен одним выходом с выходом порогового элемента, а другим с одним из выходных контактов реле.