Способ защиты потребителя от импульсных перенапряжений Советский патент 1987 года по МПК H02H3/20 H02H7/10 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты источников вторичного электропитания или другой аппаратуры в условиях воздействия энергоемких импульсных помех по шинам первичного питания, например, в условиях работы электронной аппаратуры на локомотивах железнодорожного транспорта, где значительные силовые коммутации тя гового тока двигателей существенным образом определяют помехообстановку по различным электросетям.

Целью изобретения является повышение эффективности защиты.

На фиг.1 изображена временная диаграмма формирования импульсов то- ка и напряжения по способу защиты потребителя; на фиг.2 - устройство, реализующее способ защиты, первый вариант; на фиг. 3 - то же, второй вариант.

На временной диаграмме фиг.1 показаны эпюры напряжения на защищаемых шинах питания (на потребителе) U, напряжение на демпфирующем конденсаторе и, ток демпфирующего конденсатора i- и разрядный ток „.

Устройство, реализующее способ потребителя, содержит управляющий тиристор 1, анод которого подключен к первому -выходу блока 2 управления и к плюсовой питающей шине, в которой последовательно включены два элемента 3 и 4 индуктивности, роль которых выполняют или высокочастотные дроссели, или паразитные монтажные индуктивности соединительных проводников. Отрицательная питающая шина содержит аналогично два элемента 5 и 6 индуктивности, средняя точка соединения которых подключена к первому выводу демпфирующего конденсатора 7, второму входу блока 2 управления, а также к первому выводу элемента 8 индуктивности (фиг.2), второй вывод которой соединен с катодом разрядного диода 9, анодом подключенного к точке

соединения катода управляющего тиристора 1 и второго вывода демпфирующего конденсатора 7. Входом устройства являются зажимы +Е и -Е, а потребитель подключается к зажимам +Е и -EJ,. Первый выход блока управления (фиг.2) соединен с управляющим электродом тиристора 1, кроме того, второй выход блока 2 управления (фиг.З) подключен к базе включающего

0

5

0

5

0

5 0 5

транзистора 10, коллектор и эмиттер которого соответственно соединены с первым выводом элемента 8 индуктивности и вторым входом блока управления .

Защита потребителя от импульсных перенапряжений происходит следующим образом.

До момента воздействия импульсной помехи (до момента времени t на временных диаграммах фиг.1) на питающих шинах имеется постоянное напряжение Е сети, на демпфирующем конденсаторе 7 присутству ет напряжение отрицательной полярности И(., В момент t приходит импульс перенапряжения, обозначенный на эпюре и„ в виде заштрихованного прямоугольника. Сигналом блока 2 управления открывается управляющий тиристор 1 и демпфирующий конденсатор 7 перезаряжается за время действия импульса перенапряжения (время г. на фиг,1) с постоянной времени, определяемой реактивно-активными параметрами питающей линии и емкостью демпфирующего конденсатора 7 (эпюра U,; на фиг.1). Напряжение на нем нарастает до величины U . При соответственно выбранной величине емкости конденсатора 7 управляющий тиристор 1 запирается -по прошествии времени t.

После запирания тиристора 1 начинается разряд конденсатора 7, напряжение на нем уменьшается в соответствии с параметрами разрядной цепи. По окончании времени t, конденсатор 7 разряжается до нулевого напряжения (эпюра U на фиг.1), а ток его разряда увеличивается от нуля до максимума (эпюра i на фиг.1) так же, как и ток разрядного устройства (эпюра ip на фиг.1).

t 2 начинаНа протяжении времени ется заряд конденсатора 7 напряжением другой (отрицательной) полярности (эпюра и на фиг.1). Ток разряда конденсатора 7 (эпюра i на фиг.,1) и ток разрядного устройства постепенно падают до нуля и на этом процесс перезаряда конденсатора заканчивается. I

По приходу следующего импульса все описанные процессы повторяются аналогично.

.Устройство, реализующее способ защиты потребителя работает следующим образом.

В исходном состоянии, при отсутствии импульса перенапряжения на шинах питания, имеется постоянное напряжение Е (фиг.2). Управляющий тиристор 1 заперт, блок 2 управления находится в таком положении, что не вьщает импульса на своем первом выходе .

При появлении на питающих шинах импульса перенапряжения в момент t (эпюра и на фиг.1) блок 2 управления благодаря имеющемуся в нем пороговому узлу выдает импульс первого выхода на управляющий электрод управляющего тиристора 1, вследствие чего последний открывается. Демпфирующий конденсатор 7, ранее заряженный до напряжения отрицательной полярности (эпюра Uc на фиг.1), начинает перезаряжаться до напряжения прямой полярности (например, до напряжения UCT на эпюре U, фиг.1). Ток заряда конденсатора 7 увеличивается (эпюра 1 на фнг.1) и изменяется в зависимости от реактивных параметров питающей линии (величин элементов 3 и 4, 5 и 6-индуктивности и конденсатора 7). Импульс перенапряжения дей- ствует время с (временные диаграммы на фиг.1).

По окончании действия импульса перенапряжения или после того, как конденсатор 7 практически зарядится, т.е. когда ток его заряда сделается достаточно малым, управляющий тиристор 1 запрется.

Амплитуда импульса на потребителе благодаря действию демпфирующего конденсатора 7 за время t возрастет до и, меньшей чем амплитуда и„, когда импульс перенапряжения не демпфируется. Степень демпфирования зависит от энергии (амплитуды и длительности) импульса и от возможности конденсатора 7 поглощать эту энергию в большей или меньшей степени. Степень поглощения энергии импульса можно увеличить путем увеличения емкости демпфирующего конденсатора 7. Однако во многих практических случаях это невозможно в связи с различными ограничениями: ухудшением массогаба- ритных характеристик, отсутствием требуемого номинала емкости и т.п. Поэтому является целесообразным увеличение степени поглощения энергии импульса перенапряжения не путем увеличения емкости, а путем создания .

O

0

на конденсаторе 7 напряясения обратной полярности (напряжение эпюры U на фиг.1).

Напряжение обратной полярности на конденсаторе 7 создается следующим образом.

После запирания управляющего тиристора 1 открывается разрядный диод 9. Конденсатор 7 начинает разряжаться на элемент 8 индуктивности. Появляется ток разряда (эпюра i на фиг.1). Закон разряда конденсатора 7 и заряда элемента 8 индуктивности определяется параметрами колебательного контура C7L8 .(периодом колебаний Т этого контура). По прошествии времени 0,25Т напряжение на конденсаторе 7 упадет до нуля, а ток его разряда (ток индуктивности на эпюре i., фиг.1) достигнет максимума. На это затрачивается время с .

Далее

заряд конденсатора

5

0 5 0

0

5

5

ностью (время t на фиг.1) и по прошествии времени 0,5Т от начала разряда конденсатора 7 все процессы в схеме устанавливаются. Конденсатор 7 заряжен до напряжения обратной полярности (V на эпюре Uc, фиг,1), ток элемента 8 индуктивности прекращается, а напряжение на нем вследствие запертого состояния диода 9 равно нулю.

Описанные процессы достаточно точно воспроизводятся на практике, если величина индуктивности элемента 8 настолько велика, что можно пренебречь протеканием по ней тока во время открытого состояния управляющего тиристора 1 во время действия импульса t. Для этого необходимо выполнение неравенства t 100 Т. Однако выполнение этого условия, хотя и не вызывает затруднений, но приводит к неоправданному увеличению массога- баритных характеристик элемента 8 индуктивности.

Схема с возможностью уменьшения массы и габаритов элемента 8 индуктивности приведена на фиг.З. На этапе заряда демпфирующего конденсатора 7 она работает аналогично.

После запирания тиристора 1 блоком 2 управления вырабатывается сигнал на открывание включагщего транзистора 10 (возможна и временная задержка, которая не показана на временных диаграммах фиг.1, но вполне допустима на практике). Транзистор 10, включаясь, пропускает ток заряда-перезаряда элемента 8 индуктивности и конденсатора 7. В этой схеме во время открытого состояния тиристора 1 транзистор 10 заперт и ток катода тиристора 1 не ответвляется в цепь разрядного тока по диоду 9.

Этим обеспечивается определенная свобода выбора величины индуктивности элемента 8, которая является функцией нескольких переменных: времени восстановления схемы защиты, массо- габаритными характеристиками и допустимыми токами диода 9 и транзистора 10. Причем увеличение разрядных

токов (1 с на эпюре i,

и 1

р

фиг.1)

способствует уменьшению времени восстановления схемы защиты к приходу следующего импульса помехи, так как уменьшается период Т колебаний контура C7L8, и улучшению массогабарит- ных показателей устройства за счет уменьшения величины индуктивности элемента 8,

Включающий транзистор 10 может стоять открытым все время до приход следующего импульса перенапряжения, а может и закрыться раньше. Продолжительность импульса второго выхода блока 2 управления должна быть не менее чем 0,5Т (временные диаграммы на фиг.1).

5

Предлагаемый способ защиты потребителя от импульсных перенапряжений дает возможность увеличить энергию поглощаемого импульса перенапряжения при сохранении тех же амплитудных показателей нормирования напряжения на питающих шинах потребителя за счет предварительного перезаряда демпфирзгющего конденсатора 7 обратной полярностью напряжения. Это по- вьш1ает эффективность защиты питающих шин от импульсных перенапряжений, так как по сравнению с известными способами требуется емкость демпфирующего конденсатора 7, а при той же емкости его амплитуда импульса помехи на входе потребителя становится меньше.

Формула изобретения

Способ защиты потребителя от импульсных перенапряжений, снабженного демпфирующим конденсатором, заключающийся в том, что во время воздействия импульсного перенапряжения заряжают демпфирующий конденсатор, а по окончании воздействия импульсного перенапряжения демпфирующий конденсатор разряжают до нулевого напряжения, отличающийся тем, что, с целью повьш1ения эффективности защиты, после разряда демпфирующего . конденсатора его заряжают напряжением 5 обратной полярности.

0

5

0

фиг.1

Ou

VM о

Изобретение относится к электротехнике и может быть использойано для защиты источников злектропитания или другой аппаратуры в условиях J .YYV воздействия энергоемких импульсных помех по шинам первичного питания. Целью изобретения является повышение эффективности защиты. При возникновении перенапряжений тиристор 1 включается блоком управления 2 и конденсатор 7 поглощает энергию импульса перенапряжения, которая далее, после запирания тиристора 1, разряжается на элемент индуктивности 8 и на последующем этапе работы схемы перезаряжает конденсатор 7 обратной полярностью напряжения. Изобретение позволяет защитить потребителя с более высокой эффективностью при сохранении прежней емкости конденсатора 7. Это достигается тем, что он к приходу импульса перенапряжения заряжен обратной полярностью напряжения, чем увеличивается поглощающая способность к&нденсатора воспринять энергию импульса перенапряжения. 3 ил. /7 с/) 1риг. V/ 00 -о

Л5

Редактор Л.Гратилло

Составитель О.Мещерякова

Техред М.Ходанич - Корректор В.Бутяга

Заказ 7818/53 Тираж 641Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Прот1зводственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

lH I

I