Устройство для токовой защиты нагрузки от перегрузки в цепи постоянного тока Советский патент 1987 года по МПК H02H3/87 H02H3/08 

113

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано дл защить цепи постоянного тока от то- ковьгх перегрузок

Целью изобретения является расши рние функцион,альных возможностей путем обеспечения автоматического включения после снятия токовой перегрузки, а также повьппение надежности путем фиксации силового выключателя в выключенном состоянии в режиме перегрузки..

На фиг,1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг,2 - то же, пример конкретной реализации; на фиг,3 - зависимость ток нагрузки в рабочем режиме и режиме контроля от величины сопротивления нагрузки; на фиг.4 - зависимо сть входного напряжения схемы отключения от величины сопротивления нагруз-ки.

Устройство содержит источник питания с клеммами 1 и 2, клемму 3 для подключения нагрузки 4, причем клемма 1 является общей для подлкючения источника питания и нагрузки и соединяется с одним концом нагрузки 4, вторая клемма 3 для подключения нагрузки соединена с другим концом нагрузки 4 и силовым выключателем 5 (например, транзисторный ключ, электромагнитное реле со схемой управления) , второй конец которого соединен с датчиком 6 токовой перегрузки, другой конец которого соединен с клеммо 2 и с первым входом элемента 7 сравнния (например, компаратора напряжений, транзистора), выход которого соединен с управляющим входом силового выключателя 5, схему 8 контроля состояния нагрузки при выключенном силовом выключателе 5, состоящую из последовательно включенных датчика 9 тока контроля, линейного стабилизатора Ю, токоограничивающего элемента 11 (ограничительная цепь, например последовательно включенные резистор и диод), при этом вход линейного стабилизатора 10 соединен с одним концом датчика 9 тока контроля и вторым входом элемента 7 сравнения, а выход стабилизатора 10 соединен с одним концом токоограничивающего элемента (ограничительной цепи) 11, второй конец которого соединен с клеммой 3, второй конец датчика 9 тока контроля соединен с точкой соединения силового выключателя 5 и датчика 6 токовой перегрузки.

91332

Для любого конкретного элемента сравнения известно напряжение сра- батьгеания и при заданном пороговом токе п€;ре грузки I-ор при кото5 ром происходит отключение силового выключателя 5, сопротивление датчика токовой перегрузки 6 определяется выражением

R

Атп

i

(1)

пор

т,е, напряжение на входе элемента 7 сравнения в рабочем режиме при со- противлении нагрузки, равном сопротивлению перегрузки (фиг.З и 4) равно

UCP Iпор АТП

(2)

20 I

25

а. напряжение на входе элемента 7 сравнения в режиме контроля при том же значении сопротивления нагрузки

Р-Вор UCP-K IK.CP (RATI + RATK ), (3)

где I к ср контроля при сопротивлении нагрузки

пор Величина тока контроля задается.

выходным напряжением стабилизатора . 10 и равна

UCT

К.Ср

Rrtop + 0

(4)

где RO - сопротивление ограничи- - тельной цепи 11, которая определяет максимальное . значение тока контроля при коротком замыкании в на- грузке 1 т,е, RO

УСТ - k /макс

Так как , то, подстав пор

ляя эти величины в вьфажение (4), получают

и,

-«ср Ur, I

и

с-т

(5)

пор , макс Из вьфаясений (2) и (3) следует.

что

-пор

дтп IK.CP (К-дтп +, Кдтк)

или

1 +

RArK Агп

Подставляя выражение (5) в выражение (7), получают

( У-„)

.P.JIjS 4l5У1 j.

- V I т

и

CT

RAT

или

I пор

- 1

К макс

SAJK.

Атп

Физический смысл выражения (8) заключается в том, что для обеспечения скачкообразного возрастания входного напряжения элемента 7 сравнения при переходе из рабочего режима в режим контроля необходимо, чтобы соотношение сопротивлений датчиков. 9 и 6 соответственно тока контроля и токо- вой перегрузки было больше конкретной величины, определяемой заданнь&да соотношениями внешних и внутренних параметров.

Другими словами, выражение (8) определяет нижнюю границу соотношений величин сопротивлений датчиков 9 и 6.

Однако соотношение величины сопротивлений датчиков не может быть бес- конечно большим, так как их соотношение влияет на обратное включение устройства при устранении перегрузки, т.е. выражение (8) не является достаточным условием.

Чтобы устройство надежно включалось при заданном токе нагрузки Ig т.е. при соответствующем ему сопротивлении нагрузки Rorn и известном напряжении отпускания элемента срав- нения и, необходимо чтобы напряжение на входе элемента 7 сравнения в режиме кон троля при сопротивлении нагрузки, равном шо меньше

UOTO. т.е.

IK. от (Кдтп- К т.) Uorn ,(9)

где Ijj р - ток контроля при сопротивлении нагрузки, равном Ri-Trt . Так как

Uc

-к.отп

RO ROTO

Ucr .. „ Un (Q,,

(7)

-к макс8 л

fO

Подставляя вьфажение (10),в вьфа- жение (9), находят

f5

У CT()

k Mfl CJ- gkA

Uorn

или

Rftrn + RATK Uo,n -(j. 5-H.J--) .

JCT BkA

(11)

Для определения соотношения сопротивлений датчиков 6 и 9 делят выражение (11) на выражение (2):

1 +

R

AT к

у от f Inop

(12)

и,

вКл

Физический смысл выражения (12) заключается в том, что для обеспечения автоматического включения устройства при устранении перегрузки с заданным током в рабочем режиме 12,д необходимо, чтобы соотношение величин сопротивлений датчиков 9 и 6 бьшо меньше конкретной величины, определяемой параметрами элемента 7 сравнения и соотношением внешних и внутренних параметров.

Другими словами, выражение (12) определяет верхнюю границу соотношений величин сопротивлений-датчиков 9 и 6.

Таким образом, соотношения (8) и .(12) являются необходимыми и достаточными условиями для надежной работы устройства, и их физический смысл заключается в том, что они определяют интервал соотношения величин сопротивлений датчиков 9 и 6 в зависимости от соотношения заданных внешних параметров (напряжения источника питания и, порогового тока отключения , максимального тока включения IgKA ) и желаемых внутренних па51319133

раметров (максимального тока при коротком замыкании в нагрузке 1 макс выходного напряжения линейного стабилизатора 10 и параметров схемы отключения и ).

Устройство работает следующим образом.

При подключении источника питания к клеммам 1 и 2 при номинальной величине сопротивления нагрузки 4

При переходе устройства из рабочего режима в режим контроля напряжение на входе элемента 7 сравнения скачком увеличивается с величины U(.p до 1 ср. , что надежно фиксирует силовой выключатель 5 в выключенном состоянии и исключает режим генерации.

Скачок входного напряжения элемента 7 сравнения достигается автомати- ческим изменением величины сопротивления датчика тока элемента 7 сравне- 1ц протекает через нагрузку 4, сило- ния, которая в рабочем режиме опреде- вой выключатель 5 и датчик 6 токовой ляется величиной оспротивления дат- перегрузки. Падение напряжения на дат- 5 чика 6 токовой перегрузки, а в режиfO

R (фиг.З) силовой выключатель 5

И

включен. Номинальный ток нагрузки

чике 6 токовой перегрузки Up при но- мцнальном токе нагрузки (фиг.4) поступает на первый вход элемента 7 сравнения через датчик 9 тока контроля, который в рабочем режиме выполняет роль ограничителя входного тока элемента 7 сравнения Это наме контроля - суммарным сопротивлением датчика 6 токовой перегрузки и датчика 9 тока контроля, так как в рабочем режиме через датчик 6 проте- 20 кает рабочий ток нагрузки, через датчик 9 тока контроля только входной ток элемента 7 сравнения, а в режиме контроля через датчики 6 и 9 проте-

пряжение меньше напряжения срабатьтания элемента 7 сравнения U;.p , поэтокает один и тот же ток контроля.Скачму управляющий сигнал отключения, по- кообразное возрастание входного на- даваемый с вькода элемента 7 сравнения на управляюпд1й вход силового выключателя 5, отсутствует, что и является сигналом включения силового выключателя 5, Ток через схе- 30 му 8 контроля состояния нагрузки в

пряжения элемента 7 сравнения достигается выбором соотношения величин сопротивлений датчиков 6 и 9, т.е. из выражений (12) и (8) следует

:

У отп

иТ

ср

рабочем режиме не протекает, так как напряжение на выходе линейного стабилизатора 10 меньше, чем напряжение на нагрузке 4.

роговой величины I , падение напряжения на датчике 6 токовой перегрузки достигает величины напряжения ераВ режиме контроля через нагрузк 4 протекает ток контроля, величина которого стабильна и определяется только величиной сопротивления наПри уменьшении сопротивления нагрузки (фиг.З и 4) до пороговой величины Rfjp , т.е. при перегрузке, ток нагрузки возрастает и достигает по- Q грукзи 4, выходным напряжением линейного стабилизатора 10 и величиной сопротивления ограничительной цепи 11 и не зависит от напряжения

батывания Uj-p элемента 7 сравнения. На выходе элемента 7 сравнения появ- ляется сигнал отключения, который подается на управляющий вход с силового выключателя 5. Последний .отключает нагрузку 4 от источника питания, Напряжение на нагрузке уменьшается и к нагрузке автоматически подключается стабилизатор 10 напряжения.Устройство переходит из рабочего режима в режим контроля состояния нагруз

ки, при этом через нагрузку 4 проте- j величины сопротивления нагрузки до кает ток контроля I .р по цепи: дат- величины контроля умень- чик 6. токовой перегрузки, датчик 9 шается до величины 1 , при этом тока контроля, линейньй стабилизатор уменьшается суммарное падение напря- lOj ограничительная цепь 11.жения на датчиках 6 и 9, а следоваме контроля - суммарным сопротивлением датчика 6 токовой перегрузки и датчика 9 тока контроля, так как в рабочем режиме через датчик 6 проте- кает рабочий ток нагрузки, через датчик 9 тока контроля только входной ток элемента 7 сравнения, а в режиме контроля через датчики 6 и 9 проте-

кообразное возрастание входного на-

пряжения элемента 7 сравнения достигается выбором соотношения величин сопротивлений датчиков 6 и 9, т.е. из выражений (12) и (8) следует

1. (13)

:

У отп

иТ

ср

35

В режиме контроля через нагрузку 4 протекает ток контроля, величина которого стабильна и определяется только величиной сопротивления грукзи 4, выходным напряжением линейного стабилизатора 10 и величиной сопротивления ограничительной цепи 11 и не зависит от напряжения

источника питания и его изменения.

Максимальное значение тока контроля 1 ллсхкс Р коротком замыкании в нагрузке определяется только внутренними параметрами устрой-- ства и может выбираться любой мини- JQ мальной величины путем уменьшения выходного напряжения стабилизатора 10.

При устранении причин .перегрузки в цепи нагрузки 4, т.е. увеличении

тельно, и на первом входе элемента 7 сравнения до величины напряжения отпускания U элемента 7 сравнения. На выходе элемента 7 сигнал от ключения исчезает и силовой выклю- чатель 5 автоматически подключает нагрузку 4 к источнику питания. Ток через схему 8 контроля состояния нагрузки прекращается, так как напряжение на выходе линейного стабилиза- тора 10 меньше, чем на нагрузке,т.е устройство переходит в рабочий режим. Напряжение на входе элемента 7 при перехода из режима контроля в рабочий режим скачкообразно умень- шается от величины U до U р что обеспечивается выполнением выражения (13), и надежно -фиксирует силовой выключатель 5 во включенном состоянии.

Формула изобретения

Устройство для токовой нагрузки от перегрузки в цепи постоянного тока, содержащее источник питания, одна клемма которого подключается к первому выводу нагрузки, другая клемма соединена с входом датчика токовой перегрузки и с первым вхо дом элемента сравнения, выход которого подключен к управляющему входу силового выключателя, один силовой вывод которого .подключается к второму выводу нагрузки, а другой силовой вывод соединен с выходом датчика токовой перегрузки, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения автоматического включения после снятия токовой перегрузки, а также повышения надежности путем фиксации силового вы- ключателя в выключенном состоянии в режиме перегрузки, в него дополнительно введены датчик тока конт

т 5 к аа- Ю .е. 7 t5 м 20

13191338

роля, линейный стабилизатор напряжения и токоограничивающий элемент, при этом вход датчика тока контроля соединен с выходом датчика токовой перегрузки, выход датчика тока контроля соединен с вторым входом элемента сравнения и через линейный стабилизатор напряжения подключен к входу токоограничивающего элемента, выход которого соединен с одним силовым выводом силового выключателя, датчики токовой перегрузки и тока контроля выполнены в виде резисторов, а соотношение величин их сопротивлений вь1бирается из условия

Ur

ер

5

0

где

5

0

Un

ст

-пор

fc. WCTKC

R

Атк

R

Атп

-вКА

и

и

Ср

ОТГ|

напряжение источника питания;

выходное напряжение линейного стабилизатора напряжения;

пороговьш ток, при котором происходит отключение силового вьжлючателя; максимальный ток контроля при коротком замыкании нагрузки,

сопротивление датчика тока контроля; сопротивление датчика токовой перегрузки; максимальный ток нагрузки, при котором включается силовой выключатель при устранении перегрузки; напряжение срабатывания элемента сравнения; напряжение отпускания элемента сравнения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты цепей постоянного тока от токовых перегрузок. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения автоматического включения после снятия токовой перегрузки, а также повьшение надежности фиксации силового вьжлючателя в выключенном состоянии в режиме перегрузки. Цель достигается введением в устройство датчика тока контроля 9, линейного стабилизатора 10 и токоограничиваю- щего элемента 11. Для обеспечения скачкообразного возрастания входного напряжения элемента сравнения 7 при переходе из рабочего режима в режим контроля необходимо, чтобы соотношение сопротивлений датчика тока контроля 9 и датчика токовой перегрузки 6 бьшо больше конкретной величины, определяемой заданными соотношениями внутренних и внешних параметров схемы. Для обеспечения автоматического включения устройства при устранении перегрузки с заданным током в рабочем режиме необходимо, чтобы указанное соотношение в то же время было меньше конкретной величины, оцределяемой параметрами элемента сравнения 7 и соотношением внутренних и внешних параметров схемы. 4 ил. S (Л со со 00 00

Ток нагрузки

пор вкл.

. 1 --J-

Кпор отп

СопротиЬкеник на груз ни Фиг.З

Я//

Напряжение на 8ходе схемы. отключения

и

к макс

Сопротивление нагрузка

Фиг, 4