УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В ГЕНЕРАТОРЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2010 года по МПК H02H7/06 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к регулятору напряжения для генератора переменного тока и, более конкретно, к устройству защиты от короткого замыкания для использования в генераторе переменного тока для защиты от короткого замыкания.

2. Предшествующий уровень техники

В обычном генераторе 1 переменного тока транспортного средства обмотка 10 возбуждения ротора имеет два противоположных конца, соединенных с источником 30 постоянного тока в форме аккумулятора и с регулятором 20 напряжения через токосъемное кольцо и щетки. Когда внутренняя цепь регулятора 20 напряжения исправны, обмотка 10 возбуждения проводит ток возбуждения, который заставляет статор при вращении ротора индуцировать магнитное поле. Переменный ток, создаваемый индукцией в обмотке 11 статора, выпрямляется выпрямителем 12 в постоянный ток для зарядки аккумулятора и запитывания электрооборудования транспортного средства. Поэтому при нормальной работе генератора 1 переменного тока регулятор 20 напряжения отслеживает потенциал аккумулятора и регулирует обмотку 10 возбуждения ротора, а также управляет обмоткой 11 статора и выпрямителем 12 для зарядки аккумулятора. Таким образом, аккумулятор имеет достаточную электрическую мощность для поддержки нормальной работы электрооборудования транспортного средства.

Как показано на фиг.2, источник 30 питания постоянного тока аккумулятора проходит через входной конец мощного транзистора 21 регулятора 20 напряжения для открывания мощного транзистора 21, вызывая ток возбуждения катушки 10 возбуждения для зарядки аккумулятора. Когда электрическая емкость аккумулятора поднимется до потенциала насыщения, перепад напряжения, вызванный на стабилитроне 22, достигает критической величины напряжения пробоя для открывания последующего переключающего транзистора 23 и для перевода управляющей базы мощного транзистора на низкое напряжение, тем самым закрывая мощный транзистор 21 и прекращая зарядку аккумулятора. Когда электрическая емкость аккумулятора истощается до потенциала, который не способен держать открытым стабилитрон 22, мощный транзистор 21 вновь открывается для зарядки аккумулятора. Таким образом, регулятор 20 напряжения препятствует перезаряду аккумулятора генератором переменного тока, поддерживая нормальную работу аккумулятора.

Однако вибрации кузова транспортного средства после запуска двигателя и непрерывное вращение ротора приводят к быстрому износу внешней изоляции эмалированного провода ротора. Когда щетка начинает изнашиваться, попадающая пыль графита, припоя или любое попавшее электропроводное вещество может вызвать частичное или полное короткое замыкание обмотки 10 возбуждения. В это время ток короткого замыкания может заставить регулятор 20 напряжения усилить операцию генерирования мощности генератора переменного тока, а повышение напряжения на аккумуляторе может привести к открыванию стабилитрона, чтобы прерывать ток короткого замыкания. Однако когда напряжение на аккумуляторе падает до уровня, при котором открывается мощный транзистор 21, ток короткого замыкания проходит через этот мощный транзистор 21. Поэтому мощный транзистор 21 часто переключается между состоянием проводимости и запертым состоянием, вызывая колебания короткого замыкания регулятора 20 напряжения. Внутренние переходы мощного транзистора 21 могут не выдержать такого пикового тока короткого замыкания и мощный транзистор 21 сгорает. Такие колебания короткого замыкания могут вызвать сверхток на обмотке 10 возбуждения, и такой сверхток может привести к сгоранию мощного транзистора 21. Когда мощный транзистор 21 поврежден, генератор может подавать повышенное напряжение на электрооборудование автомобиля, что приведет к его повреждению.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТНИЯ

Настоящее изобретение создано с учетом вышеизложенных обстоятельств. Таким образом, целью настоящего изобретения является создание устройства защиты от короткого замыкания, которое положительно управляет защитой от короткого замыкания и имеет очень низкое потребление энергии.

Для достижения этой цели настоящего изобретения устройство защиты от короткого замыкания соединено с возбуждающей обмоткой генератора переменного тока и содержит пусковой переключатель для управления работой генератора переменного тока в зависимости от прохождения или отсечки тока, создаваемого обмоткой возбуждения. Устройство защиты от короткого замыкания далее содержит датчик, цепь усиления и отсекающее устройство. Датчик имеет очень малое сопротивление постоянному току для снижения рассеяния энергии обмотки возбуждения. Входной конец и выходной конец цепи усиления соответственно электрически соединены с датчиком и отсекающим устройством. Включение пускового переключателя заставляет ток возбуждения проходить через датчик. Когда ток возбуждения генератора переменного тока резко возрастает из-за короткого замыкания, датчик обнаруживает рост перепада напряжения и реагирует, повышая потенциал на входном конце цепи усиления так, что потенциальная энергия повышающегося напряжения быстро и стабильно накапливается в цепи усиления для приведения в действие отсекающего устройства для выключения пускового переключателя. Потенциал на выходном конце цепи усиления удерживается во время запасания энергии на таком уровне, чтобы удерживать отсекающее устройство во включенном состоянии, а пусковой переключатель удерживается в выключенном состоянии, при этом генератор не выполняет работу, до сброса цепи после устранения состояния короткого замыкания.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - блок-схема, иллюстрирующая расположение регулятора напряжения в цепи генератора переменного тока по предшествующему уровню техники.

Фиг.2 - соответствует фиг.1 и показывает внутреннюю цепь регулятора напряжения.

Фиг.3 - блок-схема устройства защиты от короткого замыкания, установленного в генератор переменного тока по настоящему изобретению.

Фиг.4 - соответствует фиг.3 и показывает внутреннюю цепь устройства защиты от короткого замыкания.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как показано на фиг.3, устройство 2 защиты от короткого замыкания выполнено с возможностью осуществлять мониторинг тока возбуждения, создаваемого обмоткой 10 возбуждения генератора 1 переменного тока для поддержания нормальной работы генератора 1. Устройство 2 защиты от короткого замыкания электрически соединено со щеткой генератора 1 черед клеммную колодку 201 большой мощности для получения необходимого потенциала 30 постоянного тока от аккумулятора, необходимого для работы цепи. Устройство 2 защиты от короткого замыкания содержит цепь 40 запуска, датчик 50, цепь 60 усиления, отсекающее устройство 70 и цепь 80 стабилизации напряжения.

Как показано на фиг.3 и 4, цепь 40 запуска содержит пусковой переключатель 41 и пусковой резистор 42. Пусковой переключатель 41 выполнен с возможностью работы в условиях высокой мощности, чтобы выдерживать высокие токи. Согласно настоящему предпочтительному варианту пусковым переключателем 41 может быть биполярный плоскостной транзистор или транзистор большой мощности с низким рассеянием энергии, изготовленный по технологии металл-окисел-полупроводник, напр. интегрированные транзисторы КМОП (комплементарный металлооксидный полупроводник) или Би-КМОП (биполярный КМОП). Токовый выходной конец обмотки 10 возбуждения электрически соединен с пусковым переключателем 41. Когда пусковой резистор 42 делит потенциал 30 постоянного тока, подаваемый от аккумулятора, на пороговое напряжение для базы биполярного плоскостного транзистора для включения пускового переключателя, через пусковой переключатель 41 проходит токовая петля и в обмотке 10 возбуждения соответственно формируется ток возбуждения. Следовательно, включение или выключение пускового переключателя 41 соответствует пропусканию или отсечке тока возбуждения.

Датчик 50 выполнен с возможностью обнаружения тока возбуждения, проходящего через пусковой переключатель 41. Согласно предпочтительному варианту, датчиком 50 может быть резистор, имеющий чрезвычайно малое сопротивление постоянному току для предотвращения рассеяния энергии на датчике 50 при нормальной работе генератора переменного тока.

Цепь 60 усиления имеет входной конец 601 и выходной конец 602, два резистора 61 и 62 усиления, чувствительный конец 603 и однонаправленную цепь 63 заряда. Два резистора 61 и 62 усиления соединены последовательно к пусковым резисторам 42 цепи 40 запуска и датчику 50 и выполнены с возможностью уменьшения проходящего параллельно тока и падения разделенного напряжения 30 постоянного тока во избежание ненужного рассеяния энергии и неправильной работы цепи из-за избыточного тока через шунт при таком последовательном соединении. Когда избыточный ток проходит через датчик 50, повышая потенциал на входном конце 601, резистор 62 усиления повышает потенциал на чувствительном конце 603, где находится входной узел цепи 63 заряда. Цепь 63 заряда по настоящему предпочтительному варианту состоит из диода 631 с p-n-переходом, конденсатора 632 и резистора 633. Диод 631 выполнен с возможностью предотвращать вывод тока цепью 63 заряда через чувствительный конец 603, удерживая хранящийся в конденсаторе 632 заряд во время эффективного хранения и, затем, удерживая потенциал на выходном конце 602, когда потенциал на входном конце 601 падает, тем самым препятствуя разряду конденсатор 632 через чувствительный конец 603 и обеспечивая зарядку конденсатора 632 для увеличения потенциала на выходном конце 602 в соответствии с повышенным уровнем потенциала на входном конце 601, когда чувствительный конец 603 обнаружит повышенный потенциал, превышающий потенциал, хранящийся в конденсаторе 632.

Отсекающее устройство 70 работает в соответствии с потенциалом на выходном конце 602 цепи 60 усиления. Согласно настоящему предпочтительному варианту, отсекающее устройство 70 может быть триодным тиристором или транзистором переключающего средства. Входной управляемый вентиль триодного тиристора именуется управляющим концом 701, который электрически соединен с выходным концом 602 цепи 60 усиления. Узел ввода тока и узел вывода тока тиристора соответственно именуются - верхний проводящий конец 702 и нижний проводящий конец 703 и электрически соединены с пусковым переключателем 41 цепи 40 запуска и с потенциалом заземления. Когда на управляющем входе 701 возникает повышение потенциала, обусловленное выходным конецом 602 цепи 60 запуска, и потенциал растет до критической величины управляемого вентиля, при которой тиристор открывается, верхний проводящий конец 702 и нижний проводящий конец 703 входят в электропроводящее соединение друг с другом для понижения входного потенциала на пусковом переключателе 41, который именуется клеммой базы биполярного плоскостного транзистора, до потенциала земли, тем самым выключая пусковой переключатель 41.

Цепь 80 стабилизации напряжения работает аналогично обычному регулятору напряжения, используя два шунтирующих резистора 81 и стабилитрон 82 для обнаружения потенциала аккумулятора и для дополнительного управления последующим управляющим транзистором 83, включающим/выключающим пусковой переключатель 41 для эффективного регулирования состояния зарядки аккумулятора.

В заключение, когда ток возбуждения генератора 1 переменного тока резко возрастает из-за короткого замыкания обмотки 10 возбуждения, датчик 50 обнаруживает рост падения напряжения и реагирует, повышая потенциал на входном конце 601 и на чувствительном конце 603 цепи 60 усиления. Затем конденсатор 632 и резистор 633 цепи 63 зарядки запасают быстро растущую потенциальную энергию, удерживая эффект короткого замыкания во время периода запасания, и диод 631 способствует предотвращению появления обратного разрядного тока через чувствительный конец 603, тем самым положительно заставляя отсекающее устройство 70 выключить пусковой переключатель 41 и, удерживая потенциал на выходном конце 62, удерживать отсекающее устройство 70 во включенном состоянии, а пусковой переключатель 41 в выключенном состоянии так, чтобы генератор 1 переменного тока прекратил работу. Убедившись, что короткое замыкание устранено, цепь можно сбросить в состояние нормального функционирования после полного разряда конденсатора 632 цепи 63 зарядки. Следовательно, размещение односторонней цепи 63 зарядки в цепи 60 усиления между датчиком 50 и отсекающим устройством 70 препятствует понижению потенциала на управляющем входе 701 отсекающего устройства 70 путем последующего выключения отсекающего устройства 70, тогда как пусковой переключатель 41 переводится в выключенное состояние и прекращает падение напряжения на датчике 50 благодаря защите от короткого замыкания до устранения короткого замыкания, и настоящее изобретение устраняет проблему прерывания защиты от короткого замыкания отсекающим устройством 70, при котором пусковой переключатель 41 постоянно переключается между включенным и выключенным состояниями, что в свою очередь приводит к возникновению колебаний в цепи и повреждению всех транзистороподобных компонентов сети.

По существу устройство защиты от короткого замыкания по настоящему изобретению использует датчик с низким потреблением энергии для определения нормального функционирования обмотки возбуждения генератора переменного тока, уменьшая рассеяние энергии обмоткой возбуждения. Далее, устройство защиты от короткого замыкания использует цепь усиления для регулирования и стабилизации обнаруженного сигнала при коротком замыкании в обмотке возбуждения, что уменьшает шанс ложного срабатывания цепи и позволяет поддерживать работу устройства защиты от короткого замыкания пока состояние короткого замыкания не будет устранено.

Хотя выше для иллюстрации был описан конкретный вариант настоящего изобретения, в него могут быть внесены различные изменения и усовершенствования, не выходящие за пределы объема изобретения. Соответственно, объем настоящего изобретения определяется приложенной формулой.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности. Раскрыто устройство защиты от короткого замыкания для защиты генератора переменного тока, в котором включение/выключение пускового переключателя вызывает проводимость/отсечку тока возбуждения обмотки возбуждения генератора. Устройство защиты позволяет току возбуждения течь через датчик так, что когда ток возбуждения ненормально велик, и падение напряжения на датчике увеличивается, потенциал на входном конце цепи усиления, электрически соединенном с датчиком, соответственно растет, а выходной конец цепи усиления, электрически соединенный с отсекающим устройством, приводит в действие отсекающее устройство для выключения пускового переключателя, и цепь усиления далее удерживает отсекающее устройство во включенном состоянии для удержания пускового переключателя в выключенном состоянии, пока не будет устранено состояние короткого замыкания, и не будет сброшена система защитной цепи. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство защиты от короткого замыкания, установленное в генераторе переменного тока для управления током возбуждения, создаваемым обмоткой возбуждения генератора переменного тока, содержащее: пусковой переключатель, электрически соединенный с обмоткой возбуждения и работающий так, что включение/выключение пускового переключателя соответствует пропусканию/отсечке тока возбуждения; датчик, имеющий узел токового входа и узел токового выхода, соответственно электрически соединенные с пусковым переключателем и потенциалом заземления, при этом датчик пропускает ток возбуждения, когда пусковой переключатель включен; цепь усиления, содержащая входной конец и выходной конец, при этом входной конец электрически присоединен к узлу токового входа датчика, при этом, когда потенциал на упомянутом входном конце повышается, потенциал на выходном конце также повышается, когда потенциал на входном конце падает, потенциал на выходном конце остается неизменным; и отсекающее устройство, содержащее верхний проводящий конец, нижний проводящий конец и управляющий конец, которые соответственно и электрически соединены с пусковым переключателем, потенциалом заземления и выходным концом цепи усиления, при этом, когда потенциал на управляющем конце достигает заранее определенного критического потенциала, верхний проводящий конец входит в электрическое соединение с нижним проводящим концом так, чтобы выключить пусковой переключатель.

2. Устройство защиты от короткого замыкания по п.1, в котором пусковой переключатель выбран из группы, содержащей биполярный плоскостной транзистор, МОП-транзистор и интегрированный вариант обоих этих типов транзисторов.

3. Устройство защиты от короткого замыкания по п.1, в котором разница потенциалов между потенциалом на пусковом переключателе и потенциалом заземления после включения упомянутого пускового переключателя является падением напряжения на датчике под воздействием тока возбуждения от катушки возбуждения.

4. Устройство защиты от короткого замыкания по п.1, в котором цепь усиления содержит по меньшей мере один резистор усиления, электрически соединенный с входным концом и последовательно с датчиком, при этом по меньшей мере один резистор усиления имеет величину сопротивления постоянному току большую, чем датчик.

5. Устройство защиты от короткого замыкания по п.4, в котором цепь усиления содержит два резистора усиления, соответственно и электрически соединенные с пусковым переключателем и последовательно соединенные друг с другом.

6. Устройство защиты от короткого замыкания по п.4, в котором цепь усиления дополнительно содержит диод, при этом положительный полюс диода электрически соединен с по меньшей мере одним резистором усиления.

7. Устройство защиты от короткого замыкания по п.6, в котором цепь усиления дополнительно содержит конденсатор, электрически соединенный с отрицательным полюсом диода.

8. Устройство защиты от короткого замыкания по п.7, в котором выходной конец цепи усиления электрически соединен последовательно с отрицательным полюсом диода через резистор.

9. Устройство защиты от короткого замыкания по п.1, в котором отсекающее устройство является транзистором; при этом критический потенциал, который подается на отсекающее устройство является пороговым напряжением упомянутого транзистора; при этом верхний проводящий конец и нижний проводящий конец являются узлом токового входа и узлом токового выхода транзистора после включения упомянутого транзистора.

10. Устройство защиты от короткого замыкания по п.9, в котором отсекающее устройство является триодным тиристором, и управляющий конец является вентилем этого триодного тиристора.