Многофазное реле минимального и максимального напряжения Советский патент 1982 года по МПК H02H3/24 H01H83/12 H01H83/10 

I

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты и автоматики, в частности к защите потребителей электроэнергии передвижных аппаратурных комплексов от недопустимых отклонений от номинала напряжения сети.

Известно устройство для обнаружения отклонений напряжения в сетях многофазного тока, содержащее на входе трехфазный выпрямитель, выполненный на трех диодах, схему сравнения напряжений, включающую в себя входные резисторы и потенциометр, стабилитрон и входно(нзистор трехкаскадного усилитев трехкаскадный усилитель, устройство выдержки временУ, состоящее из конденсатора и регулируемого резистора, и исполнительное устройство, состолщее из двухтранзисторного усилителя, на выходе которого включено электромеханическое реле. Контроль напряжения производится по его мгновенному значению.

При понижении напряжения в одной из фаз ниже уровня, заданного стабилитроном и переменным резистором, устройство срабатывает и исполнительное устройство подключает потребители к резервному источнику питания.

Выдержка времени обеспечивается с помощью цепочки из конденсатора и резистора 1.

Недостатками этого устройства являются его однопозиционность, т. е. оно реагирует только на понижение напряжения в сети, большая погрешность в срабатывании при изменяющемся коэффициенте формы кривой контролируемого напряжения, так как на входе схемы не предусмотрено какого-либо квадратирующего устройства.

К недостаткам следует также отнести невозможность обеспечения в устройстве больших выдержек времени срабатывания. Это обусловлено тем, что выдержка времени определяется временр-м разряда конденсатора через ре390зистор, величина сопротивления которого выбирается из условия обеспечения необходимой величины тока базы первого транзистора выходного двухтранзисторного усилителя и поэтому не может быть больше определенной величины. В связи С..ЭТИМ и величина выдержки времени определяется в основном величиной емкости времязадающего конденсатора, при этом существенного увеличения выдержек времени за счет увеличения емкости конденсатора достичь невозможно, так как при этом значительно возрастают габариты и вес конденсатора. Известно устройство регистрации . минимального напряжения в многофазных системах, состоящее из трехфазного выпрямителя, схемы сравнения напряжений, включающей в себя резистор, по тенциометр., стабилитрон и транзисторный ключ, накопительного конденсатора второго стабилитрона, выходного усилительного каскада на транзисторе и сглаживающего фильтра на конденсатор При снижении напряжения в одной из фаз ниже допустимого значения заряд накопительного конденсатора происходит более продолжительное время и уровень напряжения на нем успевает достигнуть напряжения пробоя второго стабилитрона,, что приводит к появлению пульсирующего тока в базе транзистора выходного усилительного каскада, при этом напряжение на выхо де усилителя сглаживается конденсаторным фильтром и может быть подано далее на исполнительное устройство. Устройство реагирует на понижение ам плитуды напряжения (в любой из трех фаз) ниже уровня, заданного потенциометром и первый стабилитроном 2. Недостатком устройства является его низкая надежность и сложность настройки. Это связано с тем, что вход со всех фаз после диодов объеди нен, поэтому устройство в некоторых случаях может вообще не сработать, например при понижении напряжения в одной из фаз и одновременном повышении напряжения в двух других фазах. Устройство может не сработать или сработает ложно при изменении емкости накопительного конденсатора, например от воздействия температуры. Другим недостатком -устройства являет ся его однопозиционность. 9 Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является трехфазное реле минимального и максимального напряжения, содержащее три трансформаторно-выпрямительных блока и два реле напряжения, входные каскады которых выполнены на дифференциальных усилителях, осуществленных на транзисторах разного типа проводимости, базы которых соединены попарно с выходами трансформаторновыпрямительных блоков. Выходы реле напряжения через транзисторные ключи соединены далее с исполнительными устройствами, Дифференциальная схема включения транзисторов применена в реле для повьипения точности его срабатывания при изменении температуры окрух{ающей среды З. Однако такая частичная взаимная компенсация падений напряжений на переходах база - эмиттер транзисторов не обеспечивает полного исключе я разброса величин падений напряжеНИИ на этих переходах, который всегда имеет место при изменении температуры даже у индивидуально подобранных транзисторов одного и того же типа. Существенным недостатком известного реле является то, что в нем не обеспечивается возможность независимой регулировки ширины зоны нечувствительности раздельно в каждой фазе, /, т.ак как для каждой фазы в реле имеется только один задающий потенциометр и используются общие для всех фаз два опорных напряжения, что не позволяет устанавливать в каждой фазе свою ширину зоны нечувствительности, а это сужает возможности данного реле напряжения при использовании его в сетях с несимметричной и нестабильной нагрузкой, где оно не может в полной мере использоваться как многофазное, так как при работе от такой сети однофазных потребителей с разными допустимыми отклонениями напряжения питания пришлось бы настраивать реле по потребителю с наименьшей величиной до,пустимого отклонения напряжения, что вызвало бы .|слишком частое (не опfимaльнoe ) срабатывание реле напряжения. Недостатком этого реле является также наличие трансформаторов на входе, за счет которых увеличивзСтся вес и габариты устройства. Кроме того известно, что обычные трансформаторы при изменении температуры окружающей среды сами вносят дополнительные искажения формы кривой входного напряжения, которые приводят к увеличению погрешности срабатывания реле. При этом необходимо отметить, что применение специальных измерительных трансформаторов также Hfe всегда возможно, так как они не рассчитаны на ра.боту в широком диапазоне температур и при воздействии вибраций и также имеют большие габариты и вес. К недостатку схемы следует также отнести низкое входное сопротивление вхо/зных усилителей. Этот фактор приводит к необходимости снижения сопротивления и соответственно увеличения мощности резисторов измерительного органа для согласования его с входным сопротивлением усилителей для сохранения требуемой точности срабатывания реле, что, в свою очередь, приводит к увеличению емкоети входных конденсаторов и соответственно к увеличению габаритов устройства. В данном устройстве также недостаточно точно вопр.оизволится квадратическая зависимость тока заряда конденсатора от величины входного напряжения вследствие того, что в реле напряжения применено простейшее квадратирующее устройство, работа которого основана на принципе линейно-кусочной аппроксимации, при этом воспроизводит ся кривая в виде ломаной, состоящей всего из двух отрезков прямых, которую лишь очень приближенно можно принять за параболу, в результате чего не обеспечивается требуемая.точность срабатывания реле при значительнцх изменениях формы кривой входного напряжения . В реле напряжения отсутствует устройство временной задержки срабатывания, что исключает возможность, применения его в сетях, где возможны кратковременные провалы напряжения. Для питания схемы реле напряжения требуется дополнительный источник питания, что не всегда возможно и удобно на практике. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение точности. Поставленная цель достигается тем что многофазное реле минимального и 96 максимального напряжения,, содержащее выпрямители, выходы которых подключены к входам квадраторов, выполненных в виде двуплечих делителей напряжения, параллельно одному из плеч которых подключен конденсатор, органы сравнения напряжений, выполненные каждый на двух усилителях, подключенных попарно к выходам каждого квадратора, а выходы органов сравнения через транзисторные ключи связаныс исполнительным органом и источник опорного напряжения, дополнительно снабжено регулируемым элементом выдержки времени, входы выпрямителей на диодах подключены каждый к соответствующей фазе, а другим выводом соединены с соответствующим квадратором, в каждом из которых сопротивление одного из плеч делителя напряжения вы полнено в целом нелинейным, а второе линейным. Одни выводы нелинейных плеч соединены с выходами выпрямителей, а другие с линейными плечами и конденсаторами, соединенными параллельно и подключенными к нулевому проводу. При этом нелинейные плечи делителей напряжений, в квадраторах выполнены в виде обычного резистора и, по крайней мере, одной параллельной ему подключенной цепочки, состоящей из стабилитрона и резистора, соединенных последовательно, причем каждая следующая такая цепочка подключена параллельно резистору предыдущей цепочки. Линейные плечи делителей представляют собой две параллельно соединенные цепочки из резисторов и потенциометров, органы сравнения выполнены на операционных усилителях, при этом средние точки потенциометров в каждом квадраторе подключены через резисторы: одна - к инвертирующему входу первого операционного усилителя, - к неинвертирующему входу второго операционного усилителя. Другие инвертирующие и неинвертирующие вхоцы всех усилителей через резисторы подключены к катоду общего для всех фаз термокомпенсированного стабилитрона источника опорного напряжения, анод которого соединен с нулевым проводом. Катод стабилитрона подключен к источнику питания через резистор. Выходы операционных усилителей через развязывающие диоды и общий резистор подключены к базе транзистора транзисторного ключа, выход которого подключен к входурегулируемого элемента выдержки времени, выход которого соединен с входом исполнительного органа, выполненного в виде двухкаскадного полупроводникового реле, в котором в коллекторную цепь транзисто ра рторого каскада включено исполнительное электромеханическое реле. Питание многофазного реле минимал ного и максимального напряжения осуществляется от двухполярного, относительно нулевого провода, источника электропитания, подключенного к одной из фаз контролируемой сети. Введение органов сравнения напряжения двух регулирующих потенциометров, задающих соответственно верхний и нижний пределы срабатывания, обеспечивает возможность независимой регулировки ширины зон нечувствительности раздельно в каждой фазе с учетом допустимых отклонений напряжения питания для конкретных потребителей, сгруппированных в соответствии с их допустимыми отклонениями Напряжения и подключенных к разным фазам, соответственно с большей или меньшей нестабильностью нггрузки. Кроме этого, введение в схему реле напряжения регулируемого устройства выдержки времени с большим диапазоном регулирования уставок расширяет возможности настройки реле на различные требуемые пределы срабатывания в зависимости от допустимого для потребителей времени отклонения напряжения сети сэт номинального знайения. При этом введение нелинейного плеча в делитель напряжения квадратора обеспечивает путем многоступенчатой линейно-кусочной аппроксимации более точное воспроизведение квадратичной зависимости тока заряда конденсатора от величины входного напряжения, что позволяет повысить точность срабатыва ния реле при изменениях формы кривой контролируемого напряжения. Точность срабатывания реле повышается также за счет выполнения схемы без входных трансформаторов (которые, как известно, вносят дополнительные искажения формы кривой контролируемого напряжения при изменении температуры окружающей среды) и за счет применения в схеме сравнения напряжений интегральных операционных усилителей имеющих высокую чувствительность, позволяодую исключить влияние изменения температуры на точность срабатывания. Выполнение схемы реле без входных трансформаторов, а также обеспечение применения в ней малогабаритных конденсаторов и маломощных резисторов, приводит к снижению габаритов и ве.са реле напряжения. На фиг. 1 представлена схема многофазного реле минимального и максимального напряжения; на фиг. 2 - . второй вариант выполнения нелинейного плеча в квадраторе. На схеме указаны входной диод 1, каадратор 2, содержащий нелинейное плечо 3. состоящее из резистора ги, по крайней мере, одной параллельно ему подключенной цепочки из стабилитрона 5 и резистора 6, соединенных последовательно, причем каждая следующая такая цепочка подключена параллельно резистору 6 предыдущей цепочки (вместо указанных цепочек параллельно резистору может быть подключён, например, варистор 7 с соответствующей вольтамперной характеристикой), и линейное плечо 8, выполненное в виде двух цепочек из последовательно соединенных задающих потенциометров 9 и резисторов 10, подключенных параллельно конденсатору 1Т. Реле напряжения содержит в каждoй фазе по два органа сравнения напряжений, каждый из которых состоит из заДзхяцего потенциометра 9, входящего в схему квадратора 2, интегрального операционного усилителя 12 и общего для всех фаз .окомпенсированного стабилитрона 13, являющегося источником опорного напряжения. Катод опорного стабилитрона 13 подключен к входам операционных усилителей 12 через резисторы И, а средние точки задающих потенциометров 9 подключены к входам усилителей через резисторы 15. Выходы операционных усилителей 12 через развязывающие диоды 16 илобщий резистор 17 подключены к базе транзистора 18 транзисторного ключа 19t выход которого соединен с входом регулируемого элемента 20 выдержки времени, содержш{его входной транзистор 21, коллектор которого через резистор 22 соединен с нулевым проводом и через стабилитрон 23 включенный в прямом направлении, подключен к общей точке соединения времязадающего конденсатора 24, переменного резистора 25 и зат990вора полевого транзистора 26, а другие выводы конденсатора и переменного резистора и исток полевого транзистора соединены с нулевым проводом, при этом сток полевого транзистора 26 через резистор 27 соединен с минусом источника питания и с входом исполнительного органа 28, выполненного в ви виде двухкаскадного полупроводникового реле на транзисторах 29 и 30. Нагрузкой полупроводникового реле является электромеханическое выходное реле 31. Питание схемы реле напряжения осуществляется от двухполярного, относительно. нулевого поовода, источника питания, выполненного на стабилитронах 32, двухполупериодном выпрямителе 33 и понижающем трансформаторе 3, подключенном к одной из фаз контролиг уемой, сети. Схема работает следующим образом. При напряжении в контролируемой сети,, находящемся в заданных пределах, н« выходах всех операционных уси лителей 12 есть положительный потенци ал относительно нулевого провода, при Этом транзисторы 18 и 21 открыты,.а конденсатор 2 полностью заряжен и полевой транзистор 26 закрыт плюсом на затворе. В этом случае электромеханическое выходное реле 31 находится под током, так как транзисторы 29 и 30 открыты. Пои отклонении напряжения сети за заданные пределы хотя бы в одной из фаз или при обрыве фазы на выходе соответствующего операционного усилителя 12 этой фазы положительный потен циал скачком изменяется на отрицатель ный, при этом транзисторы 18 и 21 закрываются. С этого момента конденсатор 2 начинает разряжаться через переменный резистор 25, а положительный потенциал на затворе полевого траизистора 2б уменьшается. Стабилитрон 23, имеющий большое сопротивление в обратном направлении, исключает разряд конденсатора 2k через резистор 22, установленный в цепи коллектора транзистора 21. Если откло нение напряжения от заданных пределов продолжается по времени дольше допустимого для потребителей, то положительный потенциал на затворе полевого транзисто ра 2б снижается ро значения, меньшего его напряжения осечки, при этом полевой транзистор открывает ся, и затем входит в режим насыщения, 9 а в двухкаскадном выходном полупроводниковом реле транзисторы 29 и 30 закрываются, при этом электромеханическое реле 31 обесточивается и своими контактами производит отключение потребителей или подключает их к резервному источнику питания и одновременно включает соответствующую сигнализацию (не показано). Так как при нормальном состоянии контролируемой сети электромеханическое реле 31 находится под током, то таким путем обеспечивается также защита потребителей и при полйом исчезновении напряжения в той фазе, от которой подается питание на схему реле напряжения. Таким образом по сравнению с прототипом и с базовым объектом применение предлагаемого реле напряжения обеспечивает расширение эксплуатационных возможностей устройства с одновременным повышением его точности работы. Формула изобретения 1. Многофазное реле минимального, и максимального напряжения, содержащее выпрямители, выходы которых подключены к входам квадраторов, выполненных в виде двухплечих делителей напряжения, параллельно одному из плеч каждого из которых подключен конденсатор, и органы сравнения напряжений, выполненные на усилителях, подключенные попарно к выходам каждого квадратора, а выходы органов сравнения соединены с транзисторными ключами, источник опорного напряжения, исполнительный орган и источник питания, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей .и повышения точности, оно дополнительно снабжено регулируемым элементом выдержек времени, упомянутые плечи делителей напряжения квадраторов выполнены одно нелинейным, другое линейным, в виде двух цепочек из последовательно соединенных потенциометра и резистора, подключенных параллельно конденсатору, при этом входы упомянутых выпрямителей на диодах подключены к соответствующим фазам сети, а другимн выводами соединены с нелинейными плечами квадраторов, упомянутые органы сравнения выполнены на операционных усилителях, средние точки потенциометров в каждом квадраторе подключены через резисторы: одна - к инвертирующему входу первого операционного усилителя, а другая - к неинвертирующему ВХОДУ- второго операционного усилителя другие инвертирующие и неинвертирующи входы всех операционных усилителей через резисторы подключены к катоду общего для всех фаз термокомпенсированного стабилитрона источника опорно го напряжения, анод которого подключен к нулевому проводу, выход транзисторного ключа соединен с входом регулируемого элемента выдержки времени, выход которого подключен к входу исполнительного органа, выполненного в виде двухкаскадного полупроводникового реле, в котором в коллекторную цепь транзистора второго каскада включено электромагнитное реле.

2.Реле ПОП.1, отличающееся тем, что нелинейные плечи делителей напряжения в квадраторах выполнены в виде резисторов, крайней мере, одной параллельно им подключенной цепочки, состоящей из стабилитрона и резистора, соединенных последовательно, причем каждая следующая такая цепочка подключена параллельно резистору предыдущей цепочки.

3.Реле по п. 1, отличающееся тем, что нелинейное плечо делителя напряжения в квадраторах выполнено в виде двух последовательно соединенных резисторов, параллельно одному из которых включен вариатор с соответствующей характеристикой .

Ц, Реле по п. 1, отличающееся тем, что элемент выдержки времени выполнен на входном транзисторе, коллектор которого через резистор соединен с нулевым проводом и через стабилитрон, включенный в прямом направлении, подключен к общей точке, соединения времязадающего конденсатора, переменного резистора и затвора полевого транзистора, а другие выводы конденсатора и переменного резистора и исток полевого транзистора соединены с нулевым проводом при этом сток полевого транзистора соединен с входом исполнительного органа и через резистор с минусом источника питания.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 . Патент США № , кл. Н 02 Н 3/24, 1975.

2.Патент ФРГ № 223965, кл, Н 02 Н 3/2, 197.

3.Авторское свидетельство СССР № 630667, кл. Н 02 Н 3/2, 1977.