Устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения в сетях переменного тока

 

Сущность изобретения: устройство содержит пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган. Исполнительный орган является одновременно защитным устройством и состоит из силового симистора, управляющий электрод которого соединен с анодом через диодный мост с полевым транзистором, включенным в диагональ моста, затвор которого подключен к коллектору транзистора ключевого каскада, имеющего в цепи базы последовательно включенные резистор и стабилитрон, соединенные с истоком полевого транзистора, а его эмиттер подключен к накопительному конденсатору и двум пороговым элементам: верхнего предела напряжения и инвертирующего порогового элемента нижнего предела напряжения, включенными параллельно и соединенными через резистор с выпрямителем сетевого напряжения на диоде. Устройство обладает повышенной надежностью и перегрузочной способностью по напряжению и току, минимальными потерями мощности на потребителе, осуществляет защиту от ненормированного напряжения при первоначальном включении. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим сетям переменного тока, в которых могут возникать ненормированные напряжения при нормальном режиме работы системы электроснабжения или в результате аварии, и используется для защитного отключения потребителя при отклонении напряжения сверх установленных значений.

Известны устройства защиты потребителя от перенапряжений, содержащие пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, выполненный из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, которые шунтируют потребителя в случае перенапряжения, а в питающей сети наступает режим короткого замыкания, в результате чего срабатывают аппараты защиты от короткого замыкания [1].

Однако для восстановления работоспособности устройства необходимо заменять предохранители или включать аппарат защиты. В результате этого происходит значительная потеря информации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является устройство для защиты электропотребителя от перенапряжений, содержащее пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, выполненный из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, имеющее трансформатор, согласующие тиристоры и защитные встречно-параллельно соединенные тиристоры, включенные последовательно с потребителем электроэнергии [2]. При возрастании напряжения в питающей сети до предельной величины с выхода порогового элемента выдается сигнал на управляющие электроды тиристоров, которые отпираются и шунтируют вторичную обмотку трансформатора. При этом уменьшается напряжение, поступающее на управляющие электроды согласующих тиристоров, которые запираются, а следовательно, запираются и защитные тиристоры, а напряжение в питающей сети потребителя снижается до нуля. После снижения питающего напряжения работоспособность потребителя автоматически восстанавливается.

Недостатки такого устройства - наличие трансформатора, работающего при срабатывании защиты в режиме максимальной нагрузки, что снижает надежность и ограничивает возможность работы устройства при многократном повышении напряжения питающей сети. При первоначальном подключении к сети с повышенным напряжением к потребителю поступает как минимум один полупериод повышенного напряжения сети, так как пороговый элемент срабатывает при достижении заданной величины напряжения, в то время как защитные тиристоры уже открыты управляющим током, и это может привести к выходу из строя потребителя при значительных перенапряжениях сети. Питание цепей управления защитных тиристоров пониженным напряжением сети от трансформатора снижает скорость нарастания тока на управляющих электродах, что приводит к некоторой задержке включения тиристоров в каждом полупериоде напряжения сети, а это приводит к потере мощности на потребителе. Кроме того, отсутствует защита от пониженного напряжения сети, что может привести к выходу из строя потребителя, имеющего в своем составе устройство со значительным пусковым моментом, например, мотор-компрессор.

Технической задачей изобретения является повышение надежности, перегрузочной способности по напряжению, снижение потерь мощности на потребителе и защита его от повышенного или пониженного напряжения сети, в том числе при первоначальном подключении к сети с ненормированным напряжением.

Техническая задача решается тем, что в устройстве для защиты потребителя от ненормированного напряжения в сетях переменного тока, содержащем пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, новым является то, что оно снабжено вторым пороговым элементом, исполнительным органом, состоящим из силового симистора, управляющий электрод которого соединен с анодом через диодный мост с полевым транзистором, включенным в диагональ моста, затвор которого подключен к коллектору транзистора ключевого каскада, имеющем в цепи базы последовательно включенные резистор и стабилитрон, соединенные с истоком полевого транзистора, а его эмиттер подключен к накопительному конденсатору и к вышеупомянутым обоим пороговым элементам верхнего предела напряжения и инвертирующего порогового элемента нижнего предела напряжения включенными параллельно и соединенными через резистор с выпрямителем сетевого напряжения на диоде.

Проведенные патентные исследования подтверждают новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость заявленного решения. При этом достигается повышенная надежность и перегрузочная способность по напряжению из-за отсутствия трансформатора, работающего в режиме максимальной нагрузки при повышенном напряжении сети, защита потребителя как от повышенного, так и от пониженного напряжений, потери мощности на потребителе минимальны за счет высокой скорости нарастания тока управления силового симистора путем приложения полного напряжения сети между его анодом и управляющим электродом. Кроме того, защита от ненормированного напряжения при первоначальном подключении к сети с повышенным или пониженным напряжением осуществляется за счет превышения времени заряда накопительного конденсатора над временем срабатывания пороговых элементов.

На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого устройства.

Устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения в сетях переменного тока содержит потребитель электроэнергии 1, исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, состоящий из силового симистора 2, управляющий электрод которого соединен с анодом через диодный мост с диодами 3,4,5,6 и мощным высоковольтным полевым транзистором 7, включенным в диагональ моста. Затвор этого транзистора соединен с истоком через резистор 8, а также подключен к коллектору транзистора 9 ключевого каскада, база которого через резистор 10 и стабилитрон 11 соединена с истоком транзистора 7, а между эмиттером и истоком включены параллельно накопительный конденсатор 12, пороговый элемент верхнего предела напряжения 13 и инвертирующий пороговый элемент нижнего предела напряжения 14. Выпрямитель сетевого напряжения на диоде 15 через токоограничительный резистор 16 соединен с эмиттером транзистора 9.

Устройство работает следующим образом. При подключении к сети с нормальным напряжением, не приводящим к срабатыванию пороговых элементов 13 и 14, происходит зарядка накопительного конденсатора 12 положительным напряжением через резистор 16 от выпрямителя сетевого напряжения на диоде 15, и при достижении напряжения пробоя стабилитрона 11 транзистор 9 открывается и затвор транзистора 7 подключается к конденсатору 12, при этом транзистор 7 открывается положительным напряжением, приложенным между истоком и затвором. Управляющий электрод симистора 2 через диодный мост 3,4,5,6 и открытый транзистор 7 оказывается соединенным с анодом, в результате потребитель электроэнергии 1 подключается к электросети. При этом скорость нарастания тока управления максимальна, так как до открытия симистора 2 между анодом и управляющим электродом в начале каждого полупериода приложено полное напряжение сети, а сопротивления катод- управляющий электрод симистора 2 и переход сток-исток полевого транзистора 7 в открытом состоянии малы, что приводит к минимуму время включения симистора в начале каждого полупериода сети, а следовательно, к минимальным потерям мощности на потребителе, близким к теоретически возможным. При открытии симистора 2 ток управления падает практически до нуля, так как напряжение между катодом и анодом очень мало. Полевой транзистор 7 постоянно открыт положительным напряжением на накопительном конденсаторе 12. При изменении напряжения сети выше или ниже заданных уровней пороговые элементы 13 или 14 разряжают накопительный конденсатор 12 до нуля, что приводит к закрытию транзистора 7 и силового симистора 2, и потребитель 1 отключается от питающей сети, при этом предельное напряжение может многократно превышать номинальное напряжение сети и ограничено напряжением пробоя силового симистора 2, полевого транзистора 7 и диодов 3,4,5,6.

При первоначальном подключении к сети с повышенным или пониженным напряжением силовой симистор 2 закрыт, так как время заряда накопительного конденсатора 12, а следовательно, и открытия полевого транзистора 7, многократно превышает время срабатывания пороговых элементов 13 и 14, при этом пороговые элементы разряжают конденсатор 12, и потребитель 1 защищен от ненормированного напряжения.

Таким образом, при использовании данного устройства осуществляется защита потребителя от повышенного и пониженного напряжений электросети, достигается повышенная надежность и перегрузочная способность по напряжению и току, минимальные потери мощности на потребителе, защита от ненормированного напряжения при первоначальном включении.

Формула изобретения

Устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения в сетях переменного тока, содержащее пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, отличающееся тем, что оно снабжено вторым пороговым элементом, исполнительным органом, состоящим из силового симистора, управляющий электрод которого соединен с анодом через диодный мост с полевым транзистором, включенным в диагональ моста, затвор которого подключен к коллектору транзистора ключевого каскада, имеющего в цепи базы последовательно включенные резистор и стабилитрон, соединенные с истоком полевого транзистора, а его эмиттер подключен к накопительному конденсатору и к вышеупомянутым обоим пороговым элементам верхнего предела напряжения и инвертирующего порогового элемента нижнего предела напряжения, включенными параллельно и соединенными через резистор с выпрямителем сетевого напряжения на диоде.

РИСУНКИ

Рисунок 1