Устройство для защиты цепи постоянного тока от токовой перегрузки Советский патент 1983 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к бесконтактным устройствам максимально-токовой зашиты и коммутации цепи постоянного тока, и может быть исполь зовано в электротехнических установках различного назначения, преимущественно в системах питания автономных объектов. Известно бесконтактное устройство за щи ты цепи постоянного тока, содержащее магнитно-транзисторный генератор, выходная обмотка которого через выпрямитель подклЬчена к защищаемой цепи 1. Недостатками данного устройства являются значительные пульсации выходного напря-жения и большие коммутационные потери в моменты переклк чения силовых транзисторов. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для защиты и коммутации цепи постоянного тока, содержащее магнитно-транзисторный генератор, управляемые от управляющего ключа блоки включения и отключения, два развязывающих диода и узел защиты от токовых перегрузок. Генератор реагирующего органа работает в режиме автоколебаний до момента возникновения перегрузки по току в защищаемой цепи, после чего происходит срыв автоколебаний и отключение нагрузки цепи от источника питания (2). Недостатками известного устройства яв-, ляются значительные пульсации выходного напряжения, большие коммутационные потери в моменты переключения силовых транзисторов и низкая чувствительность при токовых нагрузках., Цель изобретения - уменьшение коммутационных потерь и повыщение чувствительности. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для защиты цепи постоянного тока от токовой перегрузки, содержащем блок защиты, включенный последовательно с защищаемой нагрузкой магнитно-транзисторный генератор, включающий два силовых транзистора, у которых коллекторы объединены непосредственно, эмиттеры объеди-нены через две последовательно соединенные силовые обмотки, а базы - через два встречно включенных диода, при этом между базой и эмиттером каждого силового транзистора включены базовые обмотки, ключ управле ния, включенный пара/ лельно управляюще му входу блока включения и последователь,но управляющему входу блока отключения, причем исполнительный выход блока включения включен параллельно база-эмиттерному переходу одного из силовых транзисторов магнитно-транзисторного генератора, исполнительный выход блока отключения включен между общей точкой диодов магнитно-транзисторного генератора и выходным полюсом нагрузки, а его питающий вход подключен к источнику питания нагрузки, базовые обмотки размещены на разных сердечниках, а блок защиты содержит траИзистор, коллектор которого через резистор подключен к дополнительиому управляющему входу блока отключения, база через два последовательно-согласно включенных диода подключена к входному полюсу нагрузки, а эмиттер подключен к базе одного из силовых.транзисторов магнитно-транзисторного генератора, причем между общей точкой указанных диодо.в и эмиттером включен конденсатор. На фиг. I приведена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - диаграмма напряжения. Устройство для защиты нагрузки постоянного тока содержит магнито-транзисторный генератор 1, состоящий из двух силовых транзисторов 2 и 3, двух силовых 4 и 5 и двух базовых 6 и 7 обмоток, причем базовые обмотки размещены на разных сердечниках 8 и 9, а каждая силовая обмотка охватывает либо оба, либо один (фиг. 1) из сердечников 8 и 9. Коллекторы силовых транзисторов 2 и 3 объединены непосредственно, а эмиттеры объединены через силовые обмотки 4 и 5 и подключены к входному полюсу нагрузки 10, а через соответствующие базовые обмотки 6 и 7 соединены с базой этого же транзистора. К базам силовых транзисторов 2 и 3 подключены аноды развязывающих диодов 11 и 12, включенных между собой встречно-последовательно. БлЬки включения 13 и отключения 14 управляются от управляющего ключа 15, который может быть контактным и бесконтактным, например выходом цифровой управляющей машины. Блок 13 включения состоит из транзистора 16, коллектор которого через резистор 17 подключен к первой входной клемме, эмиттер - к базе силового транзистора 3, а база через диод 18 и резистор 19 - к первому выводу управляющего ключа 15, второй вывод которого подключен к первой входной клемме. Параллельно эмиттер-базовому переходу транзистора 16 включен резистор 20. Блок 14 отключения выполнен в виде двух-каскадно соединенных транзисторов 21 и 22, эмиттеры которых подключены к второй входной клемме, база второго транзистора 22 через резистор 23 подключена к первому выводу управляющего ключа, его коллектор через резистор 24 подключен к точке соединения второго вывода управляющего ключа 15 и первой входной клеммы, а через диод 25.- к базовому электроду первого транзистора 21, коллектор которого через резистор 26 подключен к обшей точке.

развязывающих диодов И и 12. Параллельно эмиттер-базовым переходам транзисторов 21 и 22 включены резисторы 27 и 28. Блок 29 защиты от токовых перегрузок выполнен в виде измерительной цепи, состоящей из транзистора 30, двух диодов 31 и 32, конденсатора 33 и резистора 34.

Устройство работа т следующим образом

В исходном состоянии источник питания подключен к входным клеммам, а управляющий ключ 15 разомкнут и силовые транзисторы 2 и 3 закрыты.

В нормальном режиме работы при открывании управляющего ключа 15 по цепи входная клемма - управляющий ключ 15 - резистор 19 - диод 18 -- эмиттерный переход транзистора 16 - базовая обмотка 7 - силовая обмотка 5 - нагрузка 10 - входная клемма протекает ток, который открывает транзистор 16 и через его коллекторэмиттерный переход по цепи входная клемма - резистор 17 - коллектор-эмиттерный переход транзистора 16 -базовая обмотка 7 - силовая обмотка 5 - нагрузка 10 - входная клемма поступает за гускающий имnyyibc тока, который наводит в базовой обмЬтке 7 ЭДС, имеющую такую полярность, что силовой транзистор 3 открывается.

Одновременно к переходу эмиттер-база силового транзнстора 2 прикладывается ЭДС запирающей полярности и он остает-. ся закрытым. По цепи входная клемма силовой транзистор 3 - силовая обмотка 5 - нагрузка 10 входная клемма протекает ток, который наводит ЭДС в обмотках такого знака, что транзистор 3 поддерживается в открытом состЬянии и нагрузка 10 подключена к источнику питания по указанной выше цепи.

В момент насыщения сердечника 9 резко возрастаетего намагничивающий ток,вследствие чего ток базы силового транзистора 3 уменьшается и он выходит из состояния насыщения, падение напряжения на нем увеличивается, а напряжения на обмотках 5 н 7 резко уменьшаются. Прн уменьшении тока коллектора силового транзистора 3 на обмотках 5 и 7 наводятся ЭДС такого знака, что силовой транзистор 3 зaкpывaetcя

При этом происходит резкое.увеличение тока утечки силового транзистора 2 вследствие увеличения напряжения на его коллектор-эмиттерном переходе, что приводит к наведению на силовой обмотке 4 ЭДС, которая, трансформируясь в обмотку 6, вызывает открывание силового транзистора 2 и ток в наг|1)узку начинает поступафь входная клемма - силовой транзистор 2 - силовая, обмотка 4 - нагрузка 10 - входная клемма. Этот ток наводит ЭДС в обмотках 4 и 6 такого знака, что транзистор 2 поддерживается в открытом состоянии и нагрузка 10 подключена к источнику питания по указанной цепи.

При этом происходит намагничивание сердечника 8, а сердечник 9 размагничивается. ЭДС, наведенная на обмотке 7, ограничена на уровне обратного напряжения база-эмиттерного перехода силового транзистора 3 и значительна по величиие. Эта ЭДС трансформируется в полуобмотку снловой обмотки 4, намотанную на сердечнике 9, и действует согласно с ЭДС на полуобмотке силовой обмотки 4, намотанной на

0 сердечнике 8, в результате чего в диаграмме напряження между первой входной клеммой и первой выходной клеммой (Ut,t иа фиг. 2) наблюдается всплеск в инtepвaлe времени t -tj.

Так как время намагничивания сердечников больше, чем время их размагничивания, то сердечник 9 быстро размагиичивается и в момент l-t напряжение на обмотке 7 исчезает. При этом резко появляется ток утечки силового транзистора 3, что приво0 дит к наведению на силовой обмотке 5 ЭДС, которая, трансформируясь в базовую обмотку 7, вызывает открывание силового транзистора 3 и ток в нагрузку 10 начинает поступать Через параллельно включенные силовые транзисторы 2 и 3.

На участке U-tj транзисторы 2 и 3 работают параллельно. При этом напряжения на силовых обмотках 4 и 5 равны нулю, так как ЭДС, наводимые на их полу{)бмотках, равны по величине и направлены встречQ но. Напряжение U,ii при этом оказывается равным падению напряжения на двух параллельно вк 1юченных коллектор-эмиттерных перехода силовых транзнсторов 2 и 3 и мало по величине.

В момент 1з происходит насыщение сердечника 8, так как он дольще находи.лся в

5 состоянии намагничивания, чем сердечник 9. При этом резко уменьшается его коллекторный ток, что приводит к наведению на обмотках 6 и 4 ЭДС такого знака, что силовой транзистор 2 закрывается. С момента tj

0 ток в нагрузку 10 поступает только через силовой транзнстор 3 по цепи входная клемма - коллектор-эмнттерный переход силового транзистора 3 - силовая обмотка 5 - нагрузка 10 - входная клемма. При этом

5 сердечник 9 продолжает намагничиваться, а сердечник 8. начинает размагничиваться и ЭДС, наведенная на полуобмотке силовой обмотки 4, намотанной на сердечнике 8, действует согласно с ЭДС на полуобмотке силовой обмотки 4, иамотанной на сердеч0 нике 9, в результате чего на участке t3--tji в диаграмме напряжения Uz, (фиг. 2) наблюдается всплеск.

По окончании процесса размагничивания сердечника 8 возникает ток утечки си- лового транзистора 2, который иавоДит иа обмотках 4 и 6 ЭДС такого знака, что силовой транзистор 2 открывается и ток в нагрузку вновь поступает по параллельно сое.линейным силовым транзисторам 2 н 3 - участок . Таким образом, в нормальном режиме работы нагрузка iO подключена к источнику питания через силовые транзисторы 2 и 3, работающие по сл1еДующему цнклу: транзисторы 2 и 3 открыты; транзистор 2 от.крыт; а транзистор 3 закрыт; транзисторы 2 и 3 открыты; транзистор 2 закрыт, а транзистор 3 открыт и т.д. Силовые транзисторы 2 и 3 большую часть времени работают параллельно, что обеспечивает повышение КПД. То, что переключение силовых транзисторов 2 и 3 происходит в моменты, когда один из них, будучи подключен параллельно и поддерживающий напряжение на низком уровне, открыт, обеспечивает уменьшение пульсаций выходного напряжения в момеиты переключения силовых транзисторов и потерь в эти моменты. В нормальном режиме работы напряжения на переходе база-эмиттер транзистора 30 не достаточно для его открывания и блок 29 защиты на процессы переключения силовых транзисторов 2 и 3 влияния не оказывает. Диод 31 не допускает разряда конденсатора 33 через обмотки 5 и 7 в моменты закрытого состояния силового транзистора 3. В блоке 14 отключения в нормальном режиме работы транзистор 22 открыт током базы, проходящим через управляющий ключ 15, резистор 23 и эмиттерный переход транзистора 22, и -Шунтирует база-эмиттерный переход транзистора 21, который из-за этого закрыт, и блок 14 отключения не оказывает влияния на процессы переключений силовых транзисторов 2 и 3. В аварийном режиме при перегрузках и коротких замыканиях в нагрузке 10 напряжение на обмотках резко увеличивается вследствие увеличения тока и напряжения на силовых обмотках 4 и 5, т.е. увеличится величина отпирающего напряжения на переходе база-эмиттер транзистора 30, в результате чего он открывается и пропуска.ет ток в базу транзистора 21, который также открывается. Из-за этого часть тока базовых обмоток 6 и 7 отводится через развязывающие диоды 11 и 12, резистор 26 и коллектор-эмиттерный переход транзистора 21, в результате чего ток базы силовых транзисторов 2 и 3 уменьшается, они запираются и отключают нагрузку 10 от источника питания. Для повторного подключения нагрузки 10 к источнику питания, после устранения причины возникновения аварийного режима, надо разомкнуть и вновь замкнуть управляющий ключ 15. Введение в узел защиты транзистора 30 повышает чувствительность устройства при перегрузках. Принудительное отключение нагрузки 10 осуществляется при размыкании управляющего ключа 15. При этом разрывается цепь тока базы транзистора 22, он закрывается, а транзистор 21 открывается, так как в его базовый электрод поступает ток через резистор 24. В результате ток базы силовых транзисторов 2 и 3 уменьшается, так как часть тока базовых обмоток 6 и 7 ответвляется через развязывающие диоды 11 и 12, резистор 26 и транзистор 21, из-за чего они выходят из состояния насыщения и закрываются, отключая нагрузку 10 от источника питания. Использование изобретения позволяет создать коммутационно-защитную аппаратуру, обладающую высоким КПД, что обусловит возможность ее применения на авто- i номных объектах, и высокой чувствительНостью, достаточной для эффективной защиты электрических цепей и коммутируемой элек-; тронной аппаратуры от токовых перегрузок.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ОТ ТОКОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ, содержащее блок защиты, включенный последовательно с защищаемой нагрузкой магнитно-транзисторный генератор, включающий два силовых транзистора, у которых коллекторы объединены непосредственно, .эмиттеры объединены через две последовательно соединенные силовые обмотки, а базы - через два йстречно включенных диода, при этом между базой и эмиттером каждого силового транзистора включены базовые обмотки, ключ управле-у . кия, включенный параллельно управляющему входу блока включения и последовательно управляющему входу блока отключения, I причем исполнительный выход блока включения включен параллельно база-эмиттерному переходу одного из силовых транзисторов магнитно-транзисторного генератора, исполнительный выход блока отключения включен между общей точкой диодов магнитно-транзисторного генератора и выходным полюсом нагрузки, а его питающий вход подключен к источнику питания нагрузки, отличающееся тем, что, с целью уменьщения коммутационных потерь и повыщения чувствительности, базовые обмотки размещены на разных сердечниках, а блок защиты содержит транзистор, коллектор котороi го через резистор подключен к дополнительному управляющему входу блока отключе(Л ния, база через два последовательно-согласно включенных диоДа подключена к входНому полюсу нагрузки, а эмиттер подключен .к базе одного из силовых транзисторов магниТно-транзисторного генератора, причем между общей точкой указанных диодов и эмиттером включен конденсатор.