УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОВТОРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК H02H3/06 H01H47/10 

Изобретение относится к автоматизации энергосистем и может быть использовано в защите устройств электроснабжения от короткого замыкания и бесперебойном электроснабжении исполнительных устройств автоматики при переходных электрических процессах.

Известно устройство автоматического повторного включения, содержащее источник тока, первый и второй преобразователь, коммутатор, первый и второй компаратор, первый и второй источник опорного напряжения, триггер, клемму «Вход», клемму «Выход», клемму «Общий» (см. патент № 2272347 «Устройство автоматического повторного включения» авторы Юдин В.В., Пешехонов В.А. Опубликовано 20.03.2006 г. Бюл. № 8).

К недостатку известного устройства относится то, что при работе с индуктивной нагрузкой (электродвигатели), с лампами накаливания или высокого давления возможно ложное срабатывание при повторном включении после самоустранения короткого замыкания из-за больших пусковых токов.

Наиболее близким устройством того же назначения к предложенному изобретению по совокупности признаков является устройство автоматического повторного включения, содержащее источник питания схемы управления, высокочастотный источник тока, первый и второй преобразователь, первый и второй коммутатор, первый и второй компаратор напряжения, первый и второй источник опорного напряжения, D-триггер, логический элемент (ЛЭ) 2И, клеммы «Вход», «Выход» и «Общий». (см. патент № 2706332 «Устройство автоматического повторного включения» авторы Юдин В.В., Сергеев В.А. и др. Опубликовано 18.11.2019 г. Бюл. № 32) и принятое за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, является высокая чувствительность к увеличению тока в цепи питания нагрузки при автоматическом повторном включении после самоустранения короткого замыкания. В случае работы устройства с индуктивной нагрузкой (например, стрелочные электроприводы), с лампами накаливания или высокого давления повторное включение сопровождается большими пусковыми токами с образованием электрических переходных процессов. Выбросы тока приведут к ложному срабатыванию первого преобразователя «переменный ток - выпрямленное напряжение» и к нежелательному отключению нагрузки.

Устройство содержит D-триггеры. Повторное включение питания со стороны сети электроснабжения без участия обслуживающего персонала приведет к установке на выходах D-триггеров случайной комбинации логических уровней, что может повредить схеме управления устройства, выполненной на интегральных микросхемах с питанием от низковольтного источника. Установку исходного состояния D-триггеров схемы управления необходимо осуществлять в ручном режиме.

Технический результат - защита устройства от ложного срабатывания, вызванного большими пусковыми токами при автоматическом повторном включении после самоустранения короткого замыкания в цепи питания нагрузки и автоматическая установка исходного состояния схемы управления после подачи на устройство питания со стороны сети электроснабжения.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве автоматического повторного включения, содержащем источник питания, последовательно соединенные клемму «Вход», первый преобразователь, нормально замкнутые неподвижный и подвижный контакты первого коммутатора, клемму «Выход», второй преобразователь, включенный между неподвижным разомкнутым контактом первого коммутатора и клеммой «Общий», первый и второй компаратор напряжения, один вход которого соединен с информационным выходом первого и второго преобразователя соответственно, первый и второй источник опорного напряжения, выход которого соединен с другим входом первого и второго компаратора напряжения соответственно, логический элемент 2И, D-триггер, выход которого соединен с входом управления первого коммутатора, а вход установки нуля соединен с выходом логического элемента 2И, последовательно соединенные высокочастотный источник тока и второй коммутатор с одной стороны, отличие заключается в том, что в него дополнительно введены формирователь импульсов, схема установки исходного состояния, расширитель импульсов так, что выход первого компаратора соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом D-триггера, первый вход логического элемента 2И соединен с выходом схемы установки исходного состояния, вход которого соединен с выходом источника питания, и вход расширителя импульсов соединен с выходом второго компаратора напряжения, а выход расширителя импульсов соединен с вторым входом логического элемента 2И, причем второй коммутатор с другой стороны соединен с незамкнутым контактом первого коммутатора и входом второго преобразователя, и входы управления первого и второго коммутатора объединены.

Сущность изобретения заключается в следующем. Устройство автоматического повторного включения АПВ нашло широкое применение в исполнительных устройствах автоматики, в том числе в устройствах сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) на железной дороге. В процессе эксплуатации исполнительных устройств автоматики возможны разного рода воздействия, приводящие к временному появлению короткого замыкания в цепи питания, например, схлест проводов, замыкание пучков изолированных проводов и др. Цепь питания при таком роде замыканий способна к самовосстановлению до прибытия на место ремонтного персонала.

Устройство АПВ состоит из силовой части, которая выполняет коммутацию рабочего тока нагрузки и преобразование тока в выпрямленное напряжение, и низковольтной части - схемы управления коммутаторами, которая питается от отдельного источника питания. Устройство АПВ клеммами «Вход» и «Общий», а также источник питания подключают к выходной обмотке понижающего трансформатора (генератора напряжения). На первичную обмотку трансформатора подается напряжения со стороны сети электроснабжения. Клеммы «Выход» и «Общий» соединены с нагрузкой (исполнительным устройством автоматики) цепью питания.

Нагрузкой устройств АПВ могут быть электродвигатели для перевода стрелок, кодовые путевые трансмиттеры и т.д. (см., например, Сороко В.И., Фотькина Ж.В. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник в 4 кн. Кн. 1. - 4-е изд. - М: НПФ "Планета". 2013 - 1060 с.). При включении электродвигателя в цепи питания возникает переходной процесс пускового тока. Пусковой ток в начале переходного процесса превышает рабочий в 4-8 раз. Значительный пусковой ток имеют также лампы накаливания и высокого давления. Начальная амплитуда тока и время переходного процесса зависят от характера нагрузки.

В прототипе нагрузкой устройства АПВ являются обмотки реле, трансформаторов и др. Активное сопротивление обмоток реле значительно превышает активное сопротивление обмоток двигателей. Напряжение на обмотки реле устройств СЦБ подается в разные моменты времени, поэтому пусковые токи незначительны.

Переходной процесс пускового тока I_пп возникает также при присоединении к сети электроснабжения или при восстановлении исходного состояния устройства АПВ после самоустранения короткого замыкания (см. фиг. 2а). По истечении времени переходного процесса τ_пп ток нагрузки уменьшается до рабочей величины I_раб.

Напряжение на информационном выходе преобразователя 1 «переменный ток - выпрямленное напряжение» U_п1 пропорционально изменению тока.

При возникновении переходного процесса пусковой ток I_пп резко увеличивается. Напряжение U_п1 превысит установленное опорное напряжение U_оп1 первого компаратора 6 и компаратор сработает (см. фиг. 2д). Переключение компаратора вызовет ложное защитное отключение на короткое замыкание. Для защиты от ложного срабатывания в предлагаемое устройство вводится расширитель импульсов 15. Расширитель импульсов (см., например, Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. - М.: Радио и связь, 1991 - с. 60, 61, 73) запускается импульсом второго компаратора 11 τ_зад с отрицательным перепадом напряжения (см. фиг. 2з) и позволяет не прерывать питание нагрузки на период переходного процесса. Длительность расширенного импульса τ_р (см. фиг. 2и) задают предварительно, его величина больше или равна длительности переходного процесса τ_пп. Расширенный импульс запрещает импульсам формирователя 8 (см., например, Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. - М.: Радио и связь, 1991 - с. 47, 59-65), полученным по передним фронтам импульсов с выхода первого компаратора 6, переключать D-триггер 14 (см. фиг. 2д, е).

В процессе эксплуатации устройства АПВ возможны отключения в сети электроснабжения. После восстановления электроснабжения постоянное напряжение источника питания 7 поступает на схему установки исходного состояния 9, которая формирует импульс установки нуля для D-триггера (см., например, Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. - М.: Радио и связь, 1991 - с. 50-57). Установленный логический ноль на выходе D-триггера обеспечивает соединение нагрузки через контакты коммутатора 2 с генератором напряжения.

На фигуре 1 изображена структурная схема устройства автоматического повторного включения.

На фигуре 2 показаны эпюры тока и напряжений работы устройства. На фиг. 2а,б) сплошными линиями показаны ток I_Выход и напряжение U_Выход на клемме «Выход». Пунктирными линиями показаны двухполупериодные выпрямленные напряжения U_п1 и U_п2 на информационных выходах первого 1 и второго 10 преобразователей, совместимые по уровню с сигналами структурных блоков устройства.

Устройство содержит первый преобразователь 1 «переменный ток -выпрямленное напряжение», первый коммутатор 2, второй коммутатор 3, высокочастотный источник тока 4, первый источник опорного напряжения 5, первый компаратор напряжения 6, низковольтный источник питания 7, формирователь импульсов 8, схему установки исходного состояния 9, второй преобразователь 10 «переменное напряжение - выпрямленное напряжение», второй компаратор напряжения 11, второй источник опорного напряжения 12, логический элемент 13 2И, D-триггер 14, расширитель импульсов 15, клемму «Вход», клемму «Выход», клемму «Общий».

Сеть электроснабжения понижающего трансформатора, понижающий трансформатор (генератор напряжения), цепь питания нагрузки и нагрузка условно не показаны.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В установившемся рабочем режиме устройства переходной процесс и короткое замыкание в цепи питания нагрузки отсутствуют, на устройство подано рабочее напряжение U_paб и протекает рабочий ток I_раб (см. фиг. 2а, б). На выходе первого компаратора 6 присутствует уровень логического нуля. На выходе второго компаратора 11, формирователя импульсов 8, схемы установки исходного состояния 9, расширителя импульсов 15, логического элемента 2И 13 присутствует уровень логической единицы (см. фиг. 2 г, д, е, з, и в интервалах времени t6-t7 и t13-t на фиг. 2а). Логические уровни исходного состояния закладываются на этапе схемной реализации перечисленных структурных блоков. На информационном входе D-триггера 14 постоянно присутствует уровень логической единицы. Логический уровень на выходе D-триггера при включении имеет неопределенное состояние.

В момент времени t1 подключают устройство АПВ к сети электроснабжения (генератора напряжения). Включается источник питания Е_п 7 (см. фиг. 2в). Постоянное напряжение подается на схему установки исходного состояния 9 D-триггера 14, которая по переднему фронту напряжения Е_п формирует импульс с отрицательным перепадом напряжения U_усn длительностью τ_уст (см. фиг. 2г). Импульс τ_уст поступает на первый вход логического элемента 2И 13 и далее на вход установки нуля D-триггера 14. На выходе D-триггера в момент времени устанавливается логический ноль (см. напряжение U_тр на фиг. 2ж). Логический ноль подается на входы управления коммутаторов 2 и 3. Контакты коммутатора 2 остаются в нормально замкнутом состоянии, а коммутатора 3 в нормально разомкнутом состоянии.

Одновременно в цепи питания нагрузки возникает переходной процесс пускового тока I_пп длительностью τ_пп. В преобразователе 1 переменный ток нагрузки преобразуется в двухполупериодное выпрямленное напряжение U_п1 на информационном выходе (на фиг. 2а показано пунктирной линией), пропорциональное току нагрузки на выходе устройства АПВ I_Выход. Выпрямленное напряжение поступает на один вход первого компаратора 6. На второй вход поступает напряжение U_оп1 источника опорного напряжения 5. При достижении напряжения U_п1 на информационном выходе первого преобразователя опорного напряжения U_оп1, срабатывает первый компаратор 6 и на его выходе напряжение U_к1 увеличивается скачком до уровня логической единицы (см. фиг. 2д). По переднему фронту напряжения компаратора U_к1 формирователь импульсов 8 за время переходного процесса формирует серию импульсов с отрицательным перепадом напряжения длительностью τ_ф (см. интервал времени t1-t2 на фиг. 2е).

Импульса τ_ф поступает на вход D-триггера, который срабатывает по заднему фронту импульса. Длительность импульса выбирают из условия τ>τ_уст. На выходе D-триггера устанавливается логическая единица, которая поступает на входы управления коммутаторов 2 и 3 (см. фиг. 2ж) и переключает их. Через время задержки τ_зад переключения коммутатора 2 (см. интервал времени t2-t3 на фиг. 2а) к клемме «Выход» подключается второй преобразователь 10 и высокочастотный источник тока 4 через замкнутые контакты второго коммутатора 3. Второй преобразователь 10 преобразует высокочастотное переменное напряжение в выпрямленное двухполупериодное напряжение U_п2 на информационном выходе, амплитуда которого пропорциональна изменению напряжения в цепи питания U_ц и нагрузки U_н (см. фиг. 2б). Поскольку в цепи питания нагрузки отсутствует короткое замыкание, то ток высокочастотного источника тока 4 I_ит создает падение напряжения в цепи питания U_ц и в нагрузке U_н. Сумма напряжений U_ц+U_н подается на вход второго преобразователя 10. С выхода преобразователя 10 суммарное напряжение поступает на один вход компаратора 11, на второй вход которого поступает опорное напряжения U_оп2 второго источника опорного напряжения 12. В момент времени t4 сумма напряжений U_ц+U_н становится больше опорного напряжения U_oп2. Второй компаратор 11 срабатывает и на его выходе уровень логической единицы сменяется на уровень логического нуля (см. фиг. 2з).

По отрицательному перепаду выходного напряжения второго компаратора 11 расширитель импульсов 15 формирует импульс с отрицательным перепадом напряжения длительностью τ_р (см. фиг. 2и). Длительность импульса τ_р выбирают такой, чтобы за время его действия переходной процесс длительностью τ_пп закончился. Импульс расширителя поступает на второй вход логического элемента 2И 13, далее на вход установки нуля D-триггера 14 и удерживает уровень логического нуля на его выходе. Контакты коммутаторов 2 и 3 через время задержки τ_зад возвращаются в исходное состояние в момент времени t5 и ток переходного процесса I_пп протекает через нагрузку. Время срабатывания τ_ср, необходимое для достижения суммы напряжений U_ц+U_н опорного напряжения U_оп2 зависит от величины текущей фазы высокочастотного тока I_ит в момент времени t3.

За время действия импульса τ_р переключение D-триггера импульсами формирователя 8 не происходит. По окончании переходного процесса в момент времени t6 в цепи питания устанавливается рабочий ток I_раб и рабочее напряжение U_pa6. Этот режим сохраняется до появления короткого замыкания в цепи питания нагрузки в момент времени t7, или до появления следующего переходного процесса при включении электродвигателя, или при перебоях в электроснабжении.

При коротком замыкании в цепи питания нагрузки (см. фиг. 2а длительность импульса короткого замыкания τ_кз в интервале времени t7-t11), при включении электродвигателя в процессе работы устройства или при перебоях в электроснабжении работа устройства повторяет всю перечисленную выше последовательности формирования управляющих сигналов и коммутаций тока нагрузки I_Выход и тока I_ит высокочастотного источника тока 4. При этом цикл работы устройства в моменты времени t1-t7 повторяется в цикле работы в моменты времени t7-t13.

Таким образом, технический результат - защита устройства от ложного срабатывания, вызванного большими пусковыми токами при автоматическом повторном включении после самоустранения короткого замыкания в цепи питания нагрузки и автоматическая установка исходного состояния схемы управления после подачи на устройство питания со стороны сети электроснабжения, достигнут.

Использование: в области электротехники для защиты устройств электроснабжения от короткого замыкания и бесперебойного электроснабжения исполнительных устройств автоматики при переходных электрических процессах. Технический результат – обеспечение защиты устройства от ложного срабатывания. Устройство содержит последовательно соединенные клемму «Вход», первый преобразователь, нормально замкнутые неподвижный и подвижный контакты первого коммутатора, клемму «Выход». Второй преобразователь включен между неподвижным разомкнутым контактом первого коммутатора и клеммой «Общий». Высокочастотный источник тока соединен с неподвижным разомкнутым контактом первого коммутатора через нормально замкнутые контакты второго коммутатора. Входы управления первого и второго коммутатора объединены и соединены с выходом D-триггера. Информационный выход первого и второго преобразователя соединен с входом первого и второго компаратора соответственно, вход опорного напряжения каждого из которых соединен с первым и вторым источником опорного напряжения. Выход первого компаратора соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом D-триггера. Первый вход логического элемента 2И соединен с выходом схемы установки исходного состояния, вход которого соединен с выходом источника питания. Вход расширителя импульсов соединен с выходом второго компаратора напряжения, а выход расширителя импульсов соединен с вторым входом логического элемента 2И. 2 ил.

Устройство автоматического повторного включения, содержащее источник питания, последовательно соединенные клемму «Вход», первый преобразователь, нормально замкнутые неподвижный и подвижный контакты первого коммутатора, клемму «Выход», второй преобразователь, включенный между неподвижным разомкнутым контактом первого коммутатора и клеммой «Общий», первый и второй компаратор напряжения, один вход которого соединен с информационным выходом первого и второго преобразователя соответственно, первый и второй источник опорного напряжения, выход которого соединен с другим входом первого и второго компаратора напряжения соответственно, логический элемент 2И, D-триггер, выход которого соединен с входом управления первого коммутатора, а вход установки нуля соединен с выходом логического элемента 2И, последовательно соединенные высокочастотный источник тока и второй коммутатор с одной стороны, отличающееся тем, что в него дополнительно введены формирователь импульсов, схема установки исходного состояния, расширитель импульсов так, что выход первого компаратора соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом D-триггера, первый вход логического элемента 2И соединен с выходом схемы установки исходного состояния, вход которого соединен с выходом источника питания, и вход расширителя импульсов соединен с выходом второго компаратора напряжения, а выход расширителя импульсов соединен с вторым входом логического элемента 2И, причем второй коммутатор с другой стороны соединен с незамкнутым контактом первого коммутатора и входом второго преобразователя, и входы управления первого и второго коммутатора объединены.