Электронное реле максимального тока

 

Использование: может быть использовано в полупроводниковых быстродействующих выключателях. Сущность изобретения: введение второго измерительного преобразователя тока в частоту следования импульсов, выполненного в виде второго автогенератора , в цепь обратной связи которого включен второй индуктивный элемент на ферромагнитном сердечнике. Это позволяет повысить точность срабатывания реле. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ социАлистических

РЕСПУБЛИК (1% 01) (51)5 Н 02 Н 3/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K*ETOPCNOMV СВЭЩЕтетаСгвм

Недостатками реле. тока являются сильное влияние нестабильности питающего напряжения на точность работы реле тока, что вызывает необходимость применения высокостабильного источника питания, а также низкая чувствительность полупроводниковых преобразователей магнитного поля, что вызывает необходимость введения промежуточных усилителей сигнала.

Известно также реле тока, которое содержит измерительный преобразователь тока в контролируемой цепи в частоту следования импульсов, преобразователь частоты в напряжение, пороговый блок. Измерительный преобразователь тока представляет собой автогенератор, схема которого в качестве эле- ментов обратной связи содержит конденсатор и катушку индуктивности, выполненную на ферромагнитном замкнуГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОВРЕПНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2.1) 4809854/07 (22) 04.04.90 (46) 07.04.92. Бюл. N 13 (71) Всесоюзнйй научно-исследователь" ский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения ,(72) А.П.Суворов .(53) 621 ° 316.925(088,8) (56) Назаров И.А. О выборе магнитопроводов устройств с датчиком Холла.Электричество, 1981, If 2.

Дзидовский Я. Электронное реле.

Электричество, 1988, Е 7.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты электроустановок от токов короткого замыкания, и может быть исполь" зовано, например, в полупроводниковых быстродействующих выключателях.

Известны устройства, позволяющие . частично или полностью устрайить влияние изменения температуры окружающей среды на точность работы основных блоков реле тока, измерительного преобразователя и порогового блока, выполняющего функцию сравнения с уставкой.

Известно устройство, представляющее собой измерительный преобразователь тока, в котором компенсация. температурной погрешности основана на совместном выборе температурных ха рактеристик отдельных элементов изме,рительного преобразователя тока.

2 (54) ЭЛЕКТРОННОЕ РЕЛЕ МАКСИМАЛЬНОГО

ТОКА (57) Использование: может быть использовано в полупроводниковых быстродействующих выключателях. Сущность изобретения: введение второго измерительного преобразователя тока в частоту следования импульсов, выполненного в виде второго автогенератора, в цепь обратной связи которого включен второй индуктивный элемент на ферромагнитном сердечнике, Это позволяет повысить точность срабатывания реле. 5 ил.

1725312 том сердечнике, причем проводник с контролируемым током расположен в окне замкнутого сердечника.

Недостатки устройства - низкая

5 точность при изменении температуры окружающей среды, влияние нестабильности питающего напряжения на точность срабатывания реле. При этом низкая точность обусловлена как измене- 10 нием характеристик материалов и weментов конструкции реле при воздействии внешних факторов (зависимость магнитной проницаемости ферромагнитного материала сердечника от темпера- 15 туры, зависимость емкости конденсаторов от температуры, зависимость уставок срабатывания и отпускания .от уровня питающего напряжения и т.д.), так и избыточной функциональной слож- 20

1 ностью устройства, содержащего в своем составе преобразователь частоты в напряжение, пропорциональное току нагрузки, что приводит к необходимости учета дополнительной погрешности, вносимой данным функциональным узлом.

Цель изобретения - повышение точности реле тока путем автоматической компенсации изменения электрической величины, содержащей информацию о значении тока в контролируемой цепи, вызванного воздействием факторов, не связанных с аварийным увеличением тока, соответствующим изменением значения уставки, с которой произво= дится сравнение.

Поставленная цель достигается тем, что в электронном реле макси- .4О мального тока, содержащем измеритель-. ный преобразователь тока в частоту следования импульсов, выполненный в виде первого автогенератора, в цепи обратной связи которого включен пер- 45 вый индуктивный элемент на ферромагнитном сердечнике, который предназ.— . начен для установки непосредственно в магнитном поле проводника с контролируемым током, последовательно 50 соединенные пороговый блок и расширитель импульсов, выход которого яв-; ляется выходом реле, дополнительно введен второй измерительный преоб.разователь тока в частоту следования 15 импульсов, выполненный в виде второго автогенератора, в цепи обратной связи которого включен второй индуктивный элемент на ферромагнитном сердечнике, который предназначен для установки вне воздействия магнитного поля проводника с контролируемым током, магнитные характеристики материалов ферромагнитных сердечников первого и второго индуктивных элементов при воздействии на них магнитного поля проводника с контролируемым током выбраны идентичными, при этом пороговый блок выполнен в виде первого и второго интегральных счетчиков импульсов, тактовые входы которых соединены с выходами первого и второго автогенераторов соответственно, вход сброса второго интегрального счетчика импульсов подключен, к общей шине, выход соединен с входом сброса первого интегрального счетчика им.пульсов, выход которого является выходом порогового блока.

Благодаря тому, что в реле тока пороговый блок производит сравнение частотных сигналов с выходов первого и второго автогенераторов, первый и второй автогенераторы выполнены по аналогичным схемам и с применением однотипных элементов, OTHocNTBJlbHOe изменение частоты первого измерительного преобразователя тока, вызванное, влиянием температуры или нестабильностью питающего реле напряжения, в значительной . мере соответствует относительному изменению частоты второго измерительного преобразователя така, В пороговом блоке происходит компенсация факторов, не связанных с аварийным увеличением тока, что обеспечивает высокую точность срабатывания реле.

На фиг. 1 приведена блок-схема электронного реле максимального тока; на фиг. 2 - типичная для ферромагнитного материала зависимость магнитной проницаемости И от напряжеНности магнитного поля Н; на фиг, 3 - принци пиальная электрическая схема электронного реле максимального тока; на фиг. 4 - временные зависимости сигналов на выходах элементов устройства в нормальном эксплуатационном режиме; на фиг. 5 - временные зависимости сигналов на выходах элемен тов устройства в аварийном режиме.

Электронное реле максимального тока содержит первый индуктивный эле- 1 72 5312 мент 1, выполненный на ферромагнитном сердечнике, причем магнитное поле проводника с контролируемым током воздействует на ферромагнитный сердечник первого индуктивного элемента 1, первый индуктивный элемент 1 является одним из элементов цепи обратной связи первого автогенератора

2, который выполняет функцию измерения тока, второй автогенератор 3, который также способен выполнить функцию измерения тока, содержит в качестве одного из элементов обратной связи второй индуктивный элемент 4, вы- 15 полненный на ферромагнитном сердечнике, причем магнитное поле проводника с контролируемым током не.воздействует на ферромагнитный сердечник второго индуктивного элемента 4, вы- .20 ход 5 первого автогенератора 2, выход

6 второго автогенератора 3, пороговый блок 7 образован совокупностью перво-. го интегрального счетчика 8 импульсов 2 и второго интегрального счетчика 9 импульсов, выход 10 второго интегрального счетчика 9 импульсов, выход

11 первого интегрального счетчика 8 импульсов, выход расширителя 12 им- ЭО пульсов является выходом реле тока, выход 5 первого. автогенератора 2 сое- . динен с тактовым входом С первого интегрального счечтика 8 импульсов, выход 6 второго автогенератора 3 сое- З динен с тактовым входом С второго интегрального счетчика 9 импульсов, вход сброса R второго интегрального счетчика 9 импульсов находится в состоянии, обеспечивающем подсчет чис- 4О ла импульсов, т.е. подключен к общей шине, один из выходов Я„...Яя второго интегрального счетчика 9 импульсов соединен со входом сброса R пер- вого интегрального счетчика 8 импуль-. 45 сов, один из выходов Q ...Q„ первого интегрального счетчика 8 импульсов соединен с входом расширителя 12 импульсов. На фиг. 3 дополнительно показана точка включения источника пи- 5О тания, обозначенная U„„, Электронное реле максимального тока работает следующим образом. функционирование устройства обеспечивается благодаря использованию зависимости магнитных характеристик материалов ферромагнитных сердечников от .воздействия магнитного поля проводника с контролируемым током.

В частности, используется зависимость магнитной проницаемости материала ферромагнитного сердечника первого индуктивного элемента 1 от воздействия магнитного поля проводника с контролируемым током. Типичная для ферромагнитного материала зависимость магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля показана на фиг, 2. Если определенному значению тока в контролируемой цепи соответствует точка 1 кривой ц=.f(Н), то уменьшению тока .соответствует точка 3, а увеличению тока соответствует точка 2. Для рассмотрения работы реле необходимо сделать ряд допущений. Рассматриваем работу реле в устройствах защиты цепей постоянного тока. Первый индуктивный элемент

1 включен в цепь одной из обратных связей первого автогенератора 2 так, что на выходе 5 автогенератора 2 происходит повышение частоты колебаний при уменьшении значения индуктивности первого индуктивного. элемента 1. Частоту колебаний на выходе 6 второго автогенератора 3 считаем постоянной при любом значении тока в контролируемой цепи, так как для простоты влияние внешних воздействий на этом этапе не учитываем. Один из выходов Ор...Яп первого интегрального счетчика ймпульсов 8 соответствует такому же выходу второго интеграль" ного счетчика 9 импульсов ° Принима- ем также, что точке 1 кривой p=f(H) фиг. 2 (значению магйитной проницаемости) соответствует значение магнитной проницаемости сердечника первого индуктивного элемента 1 в нормальном эксплуатационном режиме, точке 2 (значению магнитной проницаемости) соответствует значение магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника второго индуктивного элемента 4.

В нормальном режиме частота колебаний на выходе 5 первого автогенератора 2 меньше, чем частота колебаний на выходе 6 второго автогенератора 3, так как точке 1 кривой р =f(H) сосггветствует большее значение магнитной проницаемости, чем точке 2. Вне учета других факторов .значение индуктивности первого индуктивйого элемента

1 больше значения индуктивности вто7

f 7253 рого индуктивного элемента 4. На выходе 10 второго интегрального счетчика 9 импульсов формируется сигнал с частотой, в k раз меньшей сигнала на выходе 6 второго автогенератора 3.

Выбор конкретного значения числа k определяется исходя из требуемой точности и производится выбором одного из выходов Q ...Яп второго интеграль- 10 ного счетчика 9 импульсов. Считая, цто второй индуктивный элемент 4 не испытывает воздействия магнитного поля контролируемого тока, выбором значения магнитной проницаемости в точке 2 кривой p=f(H) задана определенная частота на выходе 10 второго интегрального счетчика 9, являющаяся частотой уставки срабатывания реле. Частотный сигнал с выхода,0 является управляющим по отношению к. первому интегральному сцетчику. 8.

Под действием сигнала, поступающего на вход сброса R первого счетчика 8, последний находится либо в состоянии

25 запрета подсчета импульсов, поступающих от первого автогенератора 2 с одновременным обнулением всей информации на своих выходах Q,..Цд, либо в состоянии, разрешающем подсчет импуль сов. На временной диаграмме фиг. 4 промежуток от момента t, до момента

t> соответствует режиму разрешения счета. При .этом в нормальном режиме не происходит переключения выхода счетчика 8 (одного из выходов Q ), .так как цастота на выходе 5 первого автогенератора 2 мала. и счетчик 8 не успевает за отведенное время сосчи- 10 тать установленное количество импульсов. Поэтому на фиг ° 4, изображающей состояние элементов схемы в нормальном режиме, сигналы Бц и U ы„ изображены низким логическим уровнем.

От момента времени t> (фиг. 4) до момента последующего разрешения .подсчета тактовых импульсов счетчиком 8 устройство нечувствительно к измерению тока в контролируемой цепи и готовится к следующему циклу измерения, осуществляя сброс накопленной информации. После того, как на вход сброса К счетчика 8 поступит следующий разрешающий сигнал длительностью от момента t< до момента с, устройство снова контролирует ток в защищаемой цепи. В случае аварийного режима

12 уменьшается магнитная проницаемость первого индуктивного элемента 1, уменьшается значение индуктивности в одной из цепей обратных связей ав-, тогенератора, где включен индуктивный элемент и растет частота колебаний на выходе 5 автогенератора 2. При превышении частотой на выходе 5 автогенератора 2 частоты на выходе 6 автогенератора 3 на временной диаграмме фиг. 5, соответствующей аварийному режиму, появляется импульс длительностью от момента t< до момента t в точке, характеризующей потенциал выхода счетчика 8 (U « ) и непрерывный сигнал с момента времени t в точке, характеризующей потенциал выхода реле тока (U»+). Предположим, что выбраны выходы Q интегральных счетчиков 8 и 9, обеспечивающие деление частот, поступающих на тактовые входы, на 32. В момент времени t< фиг. 5 напряжение U>o низкого уровня разрешает подсчет первому интегральному счетчику импульсов 8 импульсов, поступающих на тактовый вход С. По сле подсчета 16-ти положительных фрон- тов тактовой частоты в момент времени

t< фиг. 5, выход Rq первого интегрального счетчика 8 выдает сигнал высокого уровня до момента времени сз фиг. 5, при котором происходит обнуление информации на выходах Яд... п первого интегрального счетчика 8, Появление сигнала высокого уровня на выходе Q> первого интегрального счетчика 8 означает превышение кон:тролируемым током порогового значения .

Применением интегральных счетчиков, содержащих в своем составе дешифраторы, можно свести время нахождения устройства в состоянии нецувствительности до значения, равного периоду одного импульса на выходе 6 второго автогенератора 3. Не исключается возможность, что определенное включение индуктивного элемента 1 в схему автогенератора 2 вызовет уменьшение частоты колебаний на выходе

5 пои уменьшении значения магнитной проницаемости сердечника от воздейст1 вия магнитного поля и, следовательно, уменьшении значения индуктивности первого индуктивного элемента

В этом случае временной диаграмме

1725;12

20 на фиг. 4 соответствует аварийный режим, а временной диаграмме на фиг. 5 соответствует нормальный эксплуатационный режим. При необходимости, можно перейти к обычным уровням сигналов, произведя операцию ин.вертирования. В качестве расширите;ля 12 импульсов может быть исполь-! зован либо ждущий мультивибратор с длительностью выходного импульса, 1превышающей длительность периода колебаний на выходе 1О второго интеграль1ного счетчика 9, либо интегральный

IRS-триггер. На фиг. 3 изображен ва, риант принципиальной схемы устройства. Схемы автогенераторов могут быть просты и содержать минимум элементов, Питание всех микросхем в схеме на фиг. 3 осуществляется от одного источника, точка включения напряжения питания обозначена U„„ Точная настройка на уровень срабатывания осуществляется либо изменением величины характеристик магнитного поля, воздействующего на ферромагнитный сердечник первого индуктивного элемента

1 при неизменном токе в контролируемой цепи, либо подбором или подстройкои номиналов элементов цепи обратной м

30 связи одного из автогенераторов, либо выбором одного из выходов Q ...Q любого из счетчиков, при этом выбран-. ные выходы счетчиков не соответствуют друг другу.

При воздействии изменения температуры или нестабильности питающего реле напряжения относительное изменение ,частоты первого автогенератора 2 при" 40 мерно соответствует относительному .изменению частоты второго автогенератора 3 .при значении тока в контролируемой цепи, близком к току срабатывания реле, так как схемы автогенера.. 45 торов аналогичны и выполнены с приме.нением однотипных элементов, что, в конечном итоге, не вызывает заметного увеличения погрешности срабатывания реле. При работе в устройствах защиты цепей переменНого тока. промышленных частот предлагаемое реле тока реагирует на превышение мгновеннйм значением тока заданного уровня. При этой частотй работы интегральных счетчиков (° должна .быть как можно выше частоты: колебаний, контролируемого тока. Учи-. тывая, .что современные интегральные счетчики работают при частотах, пре-вышающих 1 МГц, указанное условие легко выполнимо, Предлагаемое устройство, сохраняя присущие для электронных реле тока свойства: высокое быстродействие и надежность, отличается высокой точностью и возможностью реализации в микроэлектронном исполнении. Возможность реализации в микроэлектронном исполнении обусловлена тем, что схема устройства проста, реализована на полупроводниковых интегральных элементах, а высокая частота работы элементов схемы позволяет снизить номи1 Р налы и, следовательно, габариты примененных реактивных элементов.

Формула изобретения

Электронное реле максимального тока, содержащее измерительный преобразователь тока в частоту следования импульсов, выполненный в виде первого автогенератора, в цепи обратной связи которого включен первый индуктивный элемент на ферромагнитном сердечнике, который предназначен для установки непосредственно в магнитном поле проводника с контролируемым током, последовательно соединенные пороговый блок и расширитель импульсов, выход которого является выходом реле, о т л и ч а ю щ е е с я тем, то, с целью повышения точности срабатывания реле путем автоматической компенсации погрешности, вызванной влиянием внешних факторов, дополнительно введен второй измерительный преобразователь тока в частоту следования импульсов, выполненный в BH де второго автогенератора, в цепи обратной связи которого включен второй индуктивный элемент из ферромагнитном сердечнике, который предназначен для установки вне воздействия магнитного поля проводника с контролируемым током, магнитные характеристики материалов ферромагнитных сердечников.первого и второго индуктивных элементов при воздействии на них магнитного поля проводника с.контролируемым током выбраны идентичными, при этом пороговый блок выполнен в виде первого и второго интегральных счетчиков импуЛьсов, тактовые входы

1725312

1 2 которых соединены с выходами первого и второго автогенераторов соответственно,вход сброса второго интегрального счетчика импульсов подключен. к общей шине, выход соединен с входом сброса первого интегрального счетчика импульсов, выход которого является выходом порогового блока.,! 725312

1725312

llew 5

Составитель А.Суворов

Редактор С.Патрушева Техред A,Кравчук, Корректор А.Обручар

° М

Заказ 1181 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина,101