УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКЛЮЧЕНИЯ СЕТЕВОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ОТ НАГРУЗКИ ПРИ ПОВЫШЕНИИ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ ВЫШЕ ДОПУСТИМОГО Российский патент 2001 года по МПК H02H3/20 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим сетям переменного тока, в которых может происходить неконтролируемое повышение напряжения выше допустимого, и к устройствам для защиты нагрузки, потребителя энергии, например радиоэлектронного прибора, от такого превышения напряжения (перенапряжения).

Известны устройства защиты потребителя от перенапряжений, содержащие пороговый элемент и исполнительный орган на двух тиристорах, которые включены параллельно и встречно друг другу и начинают работать при срабатывании порогового элемента при превышении допустимого значения сетевого напряжения, при этом тиристоры шунтируют нагрузку (авт. св. СССР N 630695). При срабатывании защиты перегорает предохранитель или отключается сеть автоматическим выключателем, реагирующим на короткое замыкание. Для включения сетевого напряжения на нагрузку приходится восстанавливать состояние предохранительных устройств вручную.

Наиболее близким аналогом (прототипом) для предлагаемою устройства для отключения сетевого переменного напряжения от нагрузки является устройство для защиты потребителя от перенапряжений в сетях переменного тока (патент РФ N 2074472, МКИ H 02 H 9/04, 3/20), которое содержит пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, который состоит из диодною моста с силовым тиристором, в цепь управления которого включен полевой транзистор. Полевой транзистор подключен по своему входу через делитель напряжения на резисторах к выпрямителю сетевого напряжения, выполненному на диоде с накопительным конденсатором в качестве фильтра, причем пороговый элемент подключен между входом транзистора и катодом тиристора параллельно конденсатору. При перенапряжении в сети срабатывает пороговый элемент и выключает транзистор, что приводит к запиранию тиристра, и диодный мост не пропускает ток и напряжение сети к нагрузке. Следует отметить, что конденсатор выполняет функцию и фильтра и таймера.

В прототипе применен выпрямитель с однополупериодным выпрямлением, при этом устройство не может контролировать сетевое напряжение в один из полупериодов. Это может привести к повреждению некоторых видов нагрузок (особенно индуктивных нагрузок), например, когда в течение длительного времени в одном из полупериодов сетевое напряжение будет нормальным, а в другом полупериоде будет постоянно выше допустимого предела. Кроме того, в прототипе для отключения нагрузки уходит не менее 20 мс, что в некоторых случаях нежелательно. Кроме того, в прототипе не обеспечена развязка между силовыми цепями и цепями управления.

Техническая задача, решаемая в предложенном изобретении, состоит в том, чтобы обеспечить постоянный контроль сетевого напряжения, обеспечить более быстрое отключение нагрузки от сетевого напряжения в случае, если оно имеет значение, которое выше допустимого. Решается также задача обеспечения развязки силовых цепей от цепей управления.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для отключения сетевого переменного напряжения от нагрузки при повышении сетевого напряжения сверх допустимого содержит ключ с управляющим входом, выпрямитель сетевого напряжения с входом и выходом, фильтр с входом и выходом, измерительный делитель напряжения с входом и выходом, пороговый элемент с входом и выходом и таймер с управляющим входом и выходом, причем вход выпрямителя сетевого переменного напряжения подключен к проводникам, по которым поступает сетевое переменное напряжение к нагрузке, ключ включен в один из проводов, по которым поступает сетевое переменное напряжение к нагрузке, выход выпрямителя сетевого переменного напряжения подключен к входу фильтра и входу измерительного делителя напряжения, выход которого подсоединен к входу порогового элемента, выход порогового элемента подсоединен к управляющему входу таймера. Предложенное изобретение отличается тем, что оно содержит триггер с первым и вторым входами и выходом, ключ выполнен в виде оптоэлектронного ключа, выпрямитель сетевого переменного напряжения выполнен в виде двухполупериодного выпрямителя, выход фильтра подключен к таймеру и триггеру для подачи напряжения питания, выход порогового элемента подключен к первому входу триггера, выход таймера подключен ко второму входу триггера, выход триггера подключен к управляющему входу ключа.

В другом варианте в предложенном устройстве оптоэлектронный ключ выполнен в виде оптотиристорного ключа. В другом варианте в предложенном устройстве пороговый элемент выполнен в виде стабилитрона. В другом варианте предложенное устройство содержит емкостной балласт, причем емкостной балласт включен между первым проводником, по которому поступает сетевое переменное напряжение к нагрузке, и входом выпрямителя сетевого напряжения, емкостной балласт содержит первый резистор, второй резистор и конденсатор, первый резистор включен последовательно с параллельно соединенными вторым резистором и конденсатором.

Предложенное устройство будет понятно из нижеследующего описания. На фиг. 1 изображено устройство для отключения сетевого переменного напряжения от нагрузки при повышении сетевого напряжения выше допустимого. На фиг. 2 изображен выпрямитель и емкостной балласт.

На фиг.1,2 обозначено:
1 - первый проводник, по которому поступает сетевое переменное напряжение к нагрузке;
2 - второй проводник, по которому поступает сетевое переменное напряжение к нагрузке;
3 - ключ;
4 - управляющий вход ключа;
5 - выпрямитель сетевого напряжения;
6 - вход выпрямителя сетевого напряжения;
7 - выход выпрямителя сетевого напряжения;
8 - фильтр;
9 - вход фильтра;
10 - выход фильтра;
11 - измерительный делитель напряжения;
12 - вход измерительного делителя напряжения;
13 - выход узла измерительного делителя напряжения;
14 - пороговый элемент;
15 - вход порогового элемента;
16 - выход порогового элемента;
17 - таймер;
18 - управляющий вход таймера;
19 - выход таймера;
20 - триггер;
21 - первый вход триггера;
22 - второй вход триггера;
23 - выход триггера;
24 - нагрузка;
25 - емкостной балласт;
26 - первый резистор;
27 - второй резистор;
28 - конденсатор.

Устройство для отключения сетевого переменного напряжения от нагрузки при повышении сетевого напряжения выше допустимого показано на фиг. 1. По проводникам 1 и 2 поступает сетевое переменное напряжение. Первый проводник 1 подсоединен к ключу 3, который в открытом состоянии пропускает сетевое переменное напряжение на нагрузку 24. Ключ 3 может быть выполнен различным образом, например, с использованием мощных транзисторов (транзисторный ключ) или тиристоров (тиристорный ключ), или семисторов (семисторный ключ). В конкретном варианте, который описывается в данной заявке, ключ является тиристорным. Любой ключ, который используется, должен быть оптоэлектронным, что обеспечивает развязку силовых цепей от цепей управления. Транзисторный ключ обеспечивает очень быстрое срабатывание (закрывание и открывание ключа, например, в течение 5-10 мкс).

Ключ 3 имеет управляющий вход 4, состояние которого определяет, открыт ли ключ 3 или закрыт. Выход ключа 3 подсоединен к нагрузке 24. Ключ 3 выполнен в виде оптоэлектронного ключа, на оптический управляющий вход которого поступает свет от светодиода, который светится при поступлении напряжения с выхода 23 триггера 20.

Выпрямитель 5 включен между проводниками 1 и 2 и выпрямляет сетевое переменное напряжение. Напряжение на выпрямитель подается на его вход 6. Выпрямитель может быть выполнен по различной схеме, однако обязательно является двухполупериодным. Если напряжение на нагрузке намного больше, чем напряжение питания триггера 20 и таймера 17, то также должно быть предусмотрено понижение напряжения на выходе выпрямителя с помощью, например, трансформатора, или на входе выпрямителя используется емкостной балласт. Понижение напряжения необходимо для того, чтобы питать от выпрямителя таймер и триггер, требующие сравнительно низкого напряжения.

Выход 7 выпрямителя 5 подсоединен к фильтру 8 (предпочтительно типа RC) на его вход 9. С выхода 10 фильтра 8 сглаженное постоянное напряжение подается на таймер 17 (предпочтительно типа RC) и триггер 20.

Выход 7 выпрямителя 5 подсоединен также к измерительному делителю напряжения 11 на его вход 12. Измерительный делитель напряжения 11 выполнен в виде, например, резисторного делителя напряжения. Выход 13 делителя 11 подключен к входу 15 порогового элемента 14. Пороговый элемент 14 предпочтительно должен быть выполнен с использованием стабилитрона. Выход 16 порогового элемента 14 подсоединен к входу 18 таймера 17 и второму входу 22 триггера 20. Выход 19 таймера 17 подключен к первому входу 21 триггера 20, выход которого подсоединен к управляющему входу 4 ключа 3.

На фиг. 2 показано подключение емкостного балласта 25, который может использоваться для понижения напряжения на входе 6 выпрямителя сетевого напряжения 5. Емкостной балласт 25 подключен между первым проводником 1, по которому поступает сетевое напряжение к выпрямителю 5, и входом 6 выпрямителя 5. На фиг. 2 показано, что выпрямитель 5 выполнен в виде диодного моста. Емкостной балласт содержит первый резистор 26, второй резистор 27 и конденсатор 28. Первый резистор 26 включен последовательно с параллельно соединенными вторым резистором 27 и конденсатором 28.

Устройство для отключения сетевого переменного напряжения от нагрузки при повышении сетевого напряжения выше допустимого работает следующим образом. При включении предлагаемого устройства сетевое переменное напряжение по проводникам 1 и 2 поступает на ключ 3 (который еще закрыт) и на выпрямитель 5. С выпрямителя 5 выпрямленное сетевое напряжение поступает на фильтр 8 и измерительный делитель напряжения 11. На выходе 10 фильтра 8 при включении питания сглаженное напряжение будет постепенно нарастать (например, в течение 50 мс, в зависимости от параметров фильтра). Если триггер 20 находится при включении в таком состоянии, что на его выходе постепенно нарастает напряжение (с ростом напряжения питания триггера на выходе фильтра 8), то когда светодиод на входе 4 ключа будет испускать достаточно света для включения ключа 3, он перейдет в открытое состояние и пропустит сетевое переменное напряжение на нагрузку 24.

Если сетевое переменное напряжение находится в норме, то напряжение на выходе 13 измерительного делителя напряжения 11 при включении питания не вызовет открывания порогового элемента (стабилитрона) 14 и не будет импульсов на выходе 16 порогового элемента 14. В таймере 17 будет постепенно заряжаться конденсатор и напряжение на выходе 19 таймера будет постепенно расти, поступать на первый вход 21 триггера, что приведет к опрокидыванию триггера в такое состояние, которое обеспечивает открывание ключа 3 (естественно, если триггер до этого уже был в состоянии открывания ключа 3, то опрокидывания триггера не произойдет, напряжение с выхода 19 таймера 17 подтвердит состояние триггера 20).

Если сетевое переменное напряжение в каком-то из полупериодов окажется выше допустимого предела (который установлен с помощью выбора правильного соотношения напряжения на выходе 13 измерительного делителя напряжения 11 и напряжения открывания стабилитрона порогового элемента 14 на его входе 15), то стабилитрон порогового элемента 14 откроется и на его выходе 16 появится импульс напряжения, который немедленно перебросит триггер 20 в состояние закрытия ключа 3. Светодиод ключа 3 не будет получать напряжение с выхода триггера 20, не будет светиться и ключ 3 закроется (при достижении сетевого переменного напряжения значения нуля тиристоры ключа 3 погаснут и больше не зажгутся). Если используется транзисторный ключ, то он выключится немедленно, вне зависимости от того, в какой момент полупериода сетевого переменного напряжения произошло прекращение свечения светодиода. Таким образом, время отключения сетевого переменного напряжения от нагрузки составляет не более 10 мс (один полупериод) при использовании тиристорного или семисторного ключей, в то время как в прототипе это время может составлять и 20 мс. Кроме того, импульс на выходе 16 порогового элемента 14 поступает на таймер и разряжает конденсатор в таймере (например, с помощью открывания в таймере транзистора, который подключен коллектором к конденсатору). На выходе таймера не будет напряжения, которое смогло бы перевести триггер 20 в состояние открытия ключа 3.

Если и далее сетевое переменное напряжение будет выше допустимого предела, то на выходе порогового элемента 14 в каждый полупериод будет образовываться импульс напряжения, который будет сбрасывать напряжение на конденсаторе таймера 17 и одновременно по второму входу 22 подтверждать состояние триггера 20, обеспечивающее закрытое состояние ключа 3.

Если сетевое переменное напряжение придет в норму, то пороговый элемент 14 не выдаст очередной импульс, таймер 17 будет работать (конденсатор будет заряжаться) и выдаст через 20 мс (что обусловлено, например, параметрами RC-цепочки в таймере) импульс с выхода 19 на первый вход 21 триггера, чтобы перебросить триггер 20 в такое состояние, чтобы открыть ключ 3 и пропустить сетевое напряжение на нагрузку. Напряжение на выходе 23 триггера 20 приведет к свечению светодиода и оптотиристор откроется. Таким образом, устройство включается автоматически после того, как сетевое напряжение приходит в норму.

Для понижения сетевого напряжения на выпрямителе 5 может использоваться емкостной балласт 25. Емкостной балласт 25 (фиг. 2) и выпрямитель 5 (с его нагрузкой) представляют собой делитель напряжения. Первый резистор 26 необходим для ограничения пускового тока при включении сетевого питания. Второй резистор 27 необходим для разряда конденсатора 28. Основное падение переменного напряжения происходит на конденсаторе 28.

Предлагаемое устройство промышленно осуществимо, оно может быть изготовлено с применением широко распространенных элементов. Оно не требует разработки и выпуска специальных электрорадиоэлементов. В случае необходимости изготовление устройства поддается автоматизации.

Изобретение может использоваться в устройствах защиты нагрузки, например радиоэлектронного прибора, от перенапряжения. Технический результат заключается в том, что устройство постоянно контролирует уровень сетевого переменного напряжения и отключает его в течение времени не более одного полупериода сетевого переменного напряжения. При использовании в устройстве транзисторного ключа оно может отключать напряжение от нагрузки в течение нескольких микросекунд. Когда сетевое переменное напряжение оказывается в норме, предложенное устройство автоматически включает его на нагрузку. Устройство обеспечивает развязку силовых цепей от цепей управления. В качестве порогового элемента может использоваться стабилитрон. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для отключения сетевого переменного напряжения при повышении сетевого напряжения выше допустимого, содержащее ключ с управляющим входом, выпрямитель сетевого напряжения с входом и выходом, пороговый элемент с входом и выходом и таймер с управляющим входом и выходом, причем вход выпрямителя сетевого переменного напряжения подключен к проводникам, по которым поступает сетевое переменное напряжение к нагрузке, ключ включен в один из проводников, по которым поступает сетевое переменное напряжение к нагрузке, выход выпрямителя сетевого переменного напряжения подключен к входу фильтра и входу измерительного делителя напряжения, выход которого подсоединен к входу порогового элемента, выход порогового элемента подсоединен к управляющему входу таймера, отличающееся тем, что оно содержит триггер с первым и вторыми входами и выходом, ключ выполнен в виде оптоэлектронного ключа, выпрямитель сетевого переменного напряжения выполнен в виде двухполупериодного выпрямителя, выход фильтра подключен к таймеру и триггеру для подачи напряжения питания, выход порогового элемента подключен к первому входу триггера, выход таймера подключен ко второму входу триггера, выход триггера подключен к управляющему входу ключа. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптоэлектронный ключ выполнен в виде оптотиристорного ключа. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пороговый элемент выполнен в виде стабилитрона. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит емкостной балласт, причем емкостной балласт включен между первым проводником, по которому поступает сетевое переменное напряжение к нагрузке, и входом выпрямителя сетевого переменного напряжения.