Устройство для защиты и контроля мощности активной нагрузки Советский патент 1991 года по МПК H02H5/04 H02H7/08 H02H7/85 G05B11/06 

1

(21)4745602/07 (22)03.10.89 (46)15.09.91. Бюл. №34

(71)Завод Мезон им. 60-летия СССР

(72)Ю.Н. Чеховский и Г.П. Плешко (53)621.316,925(088.8)

(56)Регулятор мощности на микросхемах. Радио №9, 1981, с. 26-27.

Симисторный регулятор мощности. Радио № 8, 1986, с. 20.

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ И КОНТРОЛЯ МОЩНОСТИ АКТИВНОЙ НАГРУЗКИ

(57)Изобретение относится к технической физике, преимущественно к устройствам защиты, ограничения и контроля электрических величин, и может быть использовано

для защиты и контроля мощности активной нагрузки. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства. Устройство содержит датчик тока 1, выпрямитель 3 для преобразования его сигнала в контролируемое напряжение, узел контроля 4, первый 5 и второй 6 индикаторы режимов работы. Устройство обеспечивает автоматическое ограничение средней мощности активной нагрузки при возрастании тока потребления сверх номинального, защиту активной нагрузки при перегреве или длительном потреблении тока нагрузки сверх номинального, контроля режимо (номинальный, предельный, отказ) с выдачей световой индикации каждого режима. 4 ил.

Изобретение относится к технической физике, преимущественно к защите, ограничения и контроля электрических величин, и может быть использовано для защиты и контроля мощности активной нагрузки в процессе ее эксплуатации.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения защиты, ограничения мощности при возрастании тока нагрузки сверх номинального и контроля режимов работы нагрузки в процессе ее эксплуатации.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства для защиты и контроля мощности активной нагрузки; на фиг. 2 - пример конкретного выполнения устройства; на фиг; 3 и 4 - эпюры, поясняющие работу устройства.

Ј

Устройство содержит датчик тока 1, включенный последовательно с нагрузкой 2, на котором происходит падение напряжения переменного тока, пропорциональное потребляемой мощности активной нагрузки от сети питающего напряжения, которое преобразуется в напряжение постоянного тока выпрямителем 3. Зто напряжение поступает в качестве контролируемого на узел контроля 4, состоящий из трех транзисторных ячеек с делителями напряжения на входе, отличающихся друг от друга порогами срабатывания. Логика связей между ними такова, что при включении ячейки с более высоким порогом срабатывания другие ячей- ки отключаются. Нагрузкой транзисторов первой и второй ячеек являются индикаторы 5 и 6. Индикатор 5 обеспечивает световую индикацию номинального режима работы

Os V|

VI V|

Ov ON

нагрузки, индикатор 6 - предельный режим и отказ нагрузки в импульсном режиме свечения. Нагрузкой третьей ячейки является ключ на транзисторе, обеспечивающий питание светодиодов оптронов узла управле- ния 7, куда входит и симистор. Для открывания симистора на каждом полупериоде сетевого напряжения использовано два оптрона, светодиоды которых включены встречно. Фотодинисторы оптронов подают управляющее напряжение на симистор, включенный последовательно с нагрузкой. Значение величины управляющего напряжения симистора определяет величину его открывания, а следовательно, величину средней мощности активной нагрузки, потребляемой от сети. Для отключения нагрузки 2 от сети при ее нагреве и длительном потреблении тока сверх номинального служит узел защиты 8, содержащий триггер на транзисторах, в одно плечо которого включен позистор, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры нагрузки. Блок питания 9 обеспечивает напряжение постоянного тока +5 В для узлов управления 7 и защиты 8 и может выполняться по традиционной схеме. Подбор датчика тока 1 и порогов срабатывания ячеек узла контроля 4 позволяет использовать устройство для а ктивной нагрузки с различи ы- ми номинальными значениями мощности и потребляемого тока.

Устройство защиты и контроля мощности активной нагрузки работает следующим образом.

Номинальный ток нагрузки 2, проходя через резистор датчика тока 1, создает на нем падение напряжения, прямо пропорциональное потребляемой мощности. Это напряжение после преобразования в выпрямителе 3 поступает на узел контроля 4 в качестве контролируемого напряжения. Порог срабатывания первой ячейки выбран таким, что при номинальном режиме работы нагрузки 2 ее транзистор открыт. Логика связей такова, что транзисторы второй и третьей ячеек закрыты. Горит индикатор 5, являющийся нагрузкой первой ячейки, индицируя номинальный режим. Транзистор третьей ячейки закрыт, его коллекторное на- пряжение прикладывается к базе транзистора ключа в узле управления 7, который обеспечивает протекание тока через светодиоды оптронов. Постоянное напряжение для этого поступает с блока питания. Свето- диоды оптронов, включаясь, открывают фо- тодинисторы оптронов, подающих управляющее напряжение на симистор. Последний открывается и не ограничивает ток через нагрузку 2, следовательно, и среднюю

мощность в нагрузке. Если ток нагрузки возрастает (предельный режим), то включается вторая ячейка узла контроля 4, выключая первую ячейку, гаснет индикатор 5. При этом загорается светодиод индикатора 6 - индикация предельного режима. Закрытое состояние транзистора третьей ячейки при этом обеспечивает открытое состояние симистора и ограничения мощности в нагрузке 2 нет. Если ток нагрузки и дальше будет возрастать, что возможно при отказе нагрузки, то включится транзистор третьей ячейки узла контроля 4. Гаснет индикатор 6, закроется транзистор ключа узла управления 7. Обесточатся светодиоды оптронов. закроются фотодинисторы оптронов и симистор. Таким образом, будет ограничение тока через нагрузку 2 до тех пор, пока падение напряжения на датчике тока 1 не уменьшится. За счет подбора порогов срабатывания ячеек транзисторов срабатывает вторая ячейка и закроется третья ячейка. Загорится индикатор 5. Процесс повторяется, если ток нагрузку 2 не уменьшится. Таким образом, мигание светодиода 6 указывает на отказ нагрузки в работе. При этом повышается температура нагрузки и окружающей ее среды, термодатчик - позистор - нагревается, его сопротивление резко увеличивается, вызывая переключение транзисторного триггера узла защиты 8, Переключение триггера вызывает закрывание ключа узла управления 7, отключение светодиодов оптронов и закрывание симистора. Нагрузка отключается от сети, так как обратное переключение триггера в исходное состояние возможно лишь после полного остывания нагрузки и позистора, повторного включения нагрузки. Уменьшается возможность самопроизвольного включения нагрузки после остывания позистора, так как многократные повторные включения нагрузки могут привести к ее полному отказу из-за нарушения теплового режима.

Пример конкретного выполнения устройства защиты и контроля мощности активной нагрузки показан на фиг.2. Активной нагрузкой являются два двигателя VAV- 140/501, включенных параллельно. Перегрев обмоток двигателя, межвитковое КЗ. механические препятствия вращению вызывают увеличение потребляемого тока, следовательно, средней мощности, что ведет к износу двигателя и его полному отказу. Номинальный режим - при токе потребления 0,4 А. При включении нагрузки включается блок питания и постоянное напряжение + 5В поступает на светодиоды оптронов 10, 11 узла управления и триггер узла защиты на транзисторах 12, 13. Наличие конденсатора 14 и относительно малое сопротивление позистора 15 обеспечивают устойчивое состояние закрытого транзистора 12 после включения питания. Поэтому ключ на транзисторе 12 открыт, открыты светодиоды оптронов 10, 11 и открыт сими- стор 16. Ток, проходя через нагрузку и дополнительный резистор 17, создает на резисторе 17 падение напряжения, которое преобразуется выпрямителем 18 в контролируемое напряжение для узла контроля. Последний состоит из трех одинаковых транзисторных ячеек 19-21, отличающихся друг от друга порогами срабатывания. Каждая ячейка на транзисторе содержит нагрузку в коллекторной цепи и делитель контролируемого напряжения на резисторах в цепи базы. Порог срабатывания при номинальном токе нагрузки 0,4А выбран 2,0 В - для первой ячейки 21, для второй ячейки 20 - 2,5 В; для третьей ячейки 19 - 3,0 В. Переменными резисторами 35. 29. 23 можно в пределах 0,5...1,2 В регулировать порог срабатывания ячеек для других напряжений срабатывания. Нагрузкой первой и второй ячеек являются светодиоды 40 и 41 соответственно, токи через которые подбираются с помощью резисторов 27 и 33. Зеленое свечение светодиода 40 - номинальный режим работы нагрузки. Постоянное свечение светодиода 41 - предельный режим, его мигание - отказ нагрузки. Логика связей диодная и построена так, что при включении ячейки с более высоким порогом срабатывания другие отключаются.

Благодаря этому ток, потребляемый узлом контроля 4, не более 10...15 мА. При напряжении 3,0 В отключаются первая и вторая ячейки через диоды 42 и участок эмиттер-коллектор открытого транзистора ячейки 19, они шунтируют нижние плечи делителей 31, 32 и 25, 26, а третья ячейка - при включении второй (первой) ячейки диодом 42 (43) через открытые транзисторы ячеек 20, 21. которые шунтируют резисторы 37, 38. Когда транзисторы 12, 19 закрыты, + 5В поступает на светодиоды оптронов 10, 11 через резистор 44; транзистор 45 открыт и обеспечивает к ним Минус. Светодиоды включаются и открывают фотодинисторы оптронов 10, 11. Через них и резистор 46 подается управляющее напряжение на си- мистор 16. Два оптрона обеспечивают открытие симистора на каждом полупериоде сетевого напряжения.

Узел защиты работает следующим образом.

Биение и износ вала двигателя, повреждение крыльчатки, заедание подшипников старения смазки или присутствие в ней посторонних веществ, межвитковое замыкание проводов обмотки двигателя вызывают увеличение тока нагрузки, следовательно, нагрев двигателя. Это приводит к нагреванию термодатчика - позистора 15. сопротивление которого резко возрастает. Происходит переключение триггера (транзистор 12 открывается, транзистор 13 закрывается), закрывается ключ 45,

0 обесточиваются светодиоды оптронов 10, 11, закрывается симистор 16. Двигатели выключаются. Обратное переключение триггера в исходное состояние возможно после полного остывания позистора 15 и двигате5 ля, повторного включения нагрузки в сеть. Исключена возможность самопроизвольного включения нагрузки при остывании позистора, так как многократные повторные включения нагрузки могут привести к ее

0 разрушению.

Наладка устройства защиты и контроля мощности активной нагрузки сводится к подбору порогов срабатывания ячеек узла контроля и установке токов через светодио5 ды. Отпаиваются диоды 42, 43,47 от коллекторов транзисторов 19,20. На узел контроля подают напряжение постоянного тока + 3,0 В, подбирают переменным резистором 35 такой порог срабатывания транзистора 19,

0 чтобы светодиод, временно установленный в его коллекторную цепь, светился и погасал при VBx +2,5 В. Аналогично регулировкой резистора 29 добиваются загорания светодиода 41 при ,5 В и его погасание при

5 2,0 В; а резистором 23 - свечения светодиода 40 при 2,0 В. Затем восстанавливают соединения диодов 42. 43 с коллекторами транзисторов 19, 20.

Плавно изменяют VBx 2,0-3,0 В, прове0 ряют работу узла контроля, работу узла управления.

Процесс работы устройства объясняется с помощью эпюр (фиг. 3 и 4). В момент включения двигателей (0-Т1) ток нагрузки

5 возрастает до номинального IH.HOM и ненадолго превышает этот ток до установившегося режима. Благодаря схемному решению этот скачок не сказывается на работе устройства, Горит светодиод 40 Исправно.

0 Период Т2-ТЗ-Т4 является временем нормальной работы двигателей, горит светодиод 40. В момент времени Т4-Т5 ток нагрузки превышает номинальный. В устройстве срабатывает вторая ячейка узла контроля

5 (транзистор 20), загорается светодиод 41 Предел. Если внешнее воздействие кратковременное, то ограничения тока нагрузки не будет, светодиод 41 погаснет, загорится светодиод 40. Если внешнее воздействие длительно, ток нагрузки возрастает. При наличии заявляемого устройства срабатывает третья ячейка узла контроля (транзистор 19), светодиод 41 погаснет. Одновременно закроется транзисторный ключ 45 узла управления и симистор 16. Ток нагрузки уменьшится и процесс повторяется, светодиод 41 мигает, указывая на отказ нагрузки. Дальнейшее изменение тока нагрузки и его ограничение при токе 1н.пред. вызывает нагрев обмоток двигателя и термодатчика - позистора 15 узла защиты. Триггер переключается и закроет ключ 45 на транзисторе узла управления. Закроется симистор 16 и отключит нагрузку. Повторное включение нагрузки возможно только после остывания двигателя и термодатчика и повторного включения нагрузки в сеть. Самопроизвольное включение нагрузки, при этом, полностью исключено. После времени Т5 до Т6 ток нагрузки падает до нуля, нагруз- ка обесточена.

Практическое использование данного устройства расширяет функциональные возможности и область применения путем защиты, ограничения и контроля потребля- емой мощности активной нагрузки (двигатели, нагревательные элементы, вентиляторы и т.д.), увеличивает срок службы активной нагрузки, обеспечивает своевременное оперативное обслуживание и технический ремонт нагрузки до ее полного отказа, когда восстановление нагрузки невозможно. Кроме того, снижаются затраты на комплектующие, трудоемкость работ при ремонте, сокращается простой дорогостоящего оборудования.

Формула изобретения Устройство для защиты и контроля мощности активной нагрузки, содержащее узел управления, выход которого имеет клемму для подключения к цепи питания нагрузки, выпрямитель, узел контроля, первый выход которого соединен с первым входом узла управления, блок питания, выход которого соединен с вторым входом узла управления, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, устройства путем обеспечения тепловой защиты, ограничения мощности при возрастании тока нагрузки сверх номинального и контроля режимов работы нагрузки в процессе ее эксплуатации, в него дополнительно введены датчик тока, узел защиты, первый и второй индикаторы режимов работы нагрузки, входы которых подключены соответственно к второму и третьему выходам узла контроля, вход узла контроля через выпрямитель подключен к выходу датчика тока, вход которого имеет клемму для подключения к цепи питания нагрузки, третий вход узла управления соединен с выходом узла защиты, первый вход которого подключен к выходу блока питания, а второй вход имеет клемму для подключения к цепи питания нагрузки.

фие.1

220Д 50Гц fa Л

О

rf гг

ч

ЭнА

без уст- роцстба

Г5

Ъ

Фиё.3

JomK.-0,if2 A

нон

С устро- . йстоон