Устройство для защиты электро- и технологического оборудования

 

Изобретение относится к средствам защиты, например, электрооборудования от аномальных и аварийных режимов, связанных с недопустимым повышением или понижением температуры или другого физического параметра. Устройство для защиты и управления электро- и технологическим оборудованием содержит два встречно-параллельно соединенных тиристора, управляющие переходы которых шунтированы резисторами и встречно - диодами. Управляющие электроды тиристоров через параллельно соединенные токоограничительные резистор и конденсатор подключены к выпрямительному мосту. К выходу выпрямителя подсоединены коллекторно-эмиттерные цепи транзисторов, первого - через резистор, второго - непосредственно. Базоэмиттерный переход одного из транзисторов зашунтирован позистором. Базовая цепь первого транзистора через резистор подключена к стабилитрону, подсоединенному в свою очередь через резистор к коллекторно-эмиттерной цепи транзистора, его база через резистор подключена к коллектору транзистора. Использование изобретения позволяет расширить функциональные возможности, упростить и повысить надежность его работы. 3 ил.

Изобретение относится к электричеству, а именно к средствам защиты, например, электрооборудования от анормальных и аварийных режимов, связанных с недопустимым повышением или понижением температуры или другого физического параметра, или бесконтактного управления силовыми цепями оборудования. Может быть использовано в производственных и бытовых электрических, технологических или других установках, например для защиты электродвигателей от перегрузок и других анормальных режимов работы при достижении температурой предельно допустимого уровня, или управления сварочными и другими аппаратами и оборудованием.

Известно устройство встроенной температурной защиты типа УВТЗ-1 [1], содержащее стабилизированный блок питания, выполненный в виде двухполупериодного однофазного выпрямителя со стабилитроном на выходе, подключенного через ограничительные резисторы и конденсаторы к одной из фаз сети питания; двухтранзисторный ключ с позистором в цепи управления, управляющий переходом тиристора в нагрузочной цепи; в анодной цепи тиристора включено исполнительное реле, обмотка которого шунтирована диодом, а контакт соединен последовательно с катушкой магнитного пускателя или контактора защищаемого двигателя, а питание транзисторного ключа и анодной цепи тиристора с исполнительным реле осуществляется от стабилизированного блока питания.

Данной схеме присущи существенные недостатки: сложность схемотехнического решения, требующего наличия стабилизированного блока питания; неприменимость устройства при частых циклических включениях и отключениях защищаемого объекта, так как исполнительное электромеханическое реле имеет относительно невысокое число срабатываний из условия износостойкости по сравнению с тиристорным исполнительным органом; невозможность регулировки уставки срабатывания по температуре или другому физическому параметру при использовании датчика такого параметра; невозможность контроля температур в диапазоне от 0 до 60^oC, так как позисторы устройства УВТЗ-1 изменяют свое сопротивление при более высоких температурах; невозможность использования датчиков с уменьшающимся сопротивлением (при достижении контролируемым параметром предельно допустимого уровня); неприменимость устройства с датчиками физических параметров типа "сухой контакт", так как УВТЗ-1 отключает защищаемый объект как при нулевом, так и при бесконечном сопротивлении в цепи датчика; неустойчивость состояния транзисторного ключа в области температур, близких к температурам срабатывания, а соответственно, возможность ложного срабатывания при наличии, например, сетевых помех; ограниченная область применения, обусловленная ранее указанными недостатками; ограниченность функциональных возможностей: неприменимость устройства в качестве бесконтактного коммутатора нагрузки.

В качестве прототипа принято модифицированное наиболее современное устройство температурной защиты типа УВТЗ-5 [2], содержащее блок питания, выполненный в виде двухполупериодного выпрямителя, подключенный через ограничительный резистор и конденсатор к одной из фаз сети питания, транзисторный ключ с позистором в цепи управления и управляющим переходом тиристора в нагрузочной цепи; анодная цепь тиристора включена по схеме шунтирования обмотки исполнительного реле, а контакт соединен последовательно с катушкой магнитного пускателя или контактора защищаемого двигателя; питание транзисторного ключа и исполнительного тиристорно-релейного органа осуществляется от блока питания; транзисторный ключ дополнительно подключен к реагирующему органу, входная цепь которого подсоединена к датчику асимметрии питающего напряжения.

Однако для прототипа характерны следующие недостатки:
сложность схемотехнического решения, требующего наличия стабилизирующего блока питания;
ограниченность срока службы при частых превышениях температуры защищаемого объекта, обусловленная относительно невысокой износостойкостью контактов исполнительного реле;
невозможность регулировки уставки срабатывания по температуре;
невозможность контроля температур в диапазоне от 60^oC до отрицательных значений, когда позисторы практически не повышают свое сопротивление, а соответственно, не вызывают срабатывания УВТЗ-5;
невозможность использования датчиков с уменьшающимся сопротивлением (при достижении контролируемым параметром предельно допустимого уровня);
несовместимость устройства с датчиками физических параметров типа "сухой ход", так как оно отключает защищаемый объект как при нулевом, так и бесконечном сопротивлении;
ограниченность функциональных возможностей только защитными функциями и невозможность выполнения функций бесконтактного управления нагрузкой.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, области применения, упрощение устройства и повышение надежности его работы.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для защиты электро- и технологического оборудования, содержащем датчик температуры - позистор, шунтирующий базоэмиттерный переход первого ключа, выполненного на базе транзистора n-p-n-типа, коллекторно-эмиттерная цепь которого связана с управляющей цепью второго транзистора, исполнительный тиристор и однофазный двухполупериодный выпрямитель, данный выпрямитель стороной переменного напряжения включен последовательно с управляющими переходами встречно-параллельно включенных указанного и введенного исполнительных тиристоров и ограничительным резистором, при этом управляющий переход каждого исполнительного тиристора шунтирован резистором и встречно включенным диодом, а к выходу выпрямителя подсоединены коллекторно-эмиттерные цепи первого транзистора через один введенный резистор, а второго - непосредственно, причем базоэмиттерный переход второго транзистора шунтирован другим введенным резистором, а базовая цепь первого транзистора подключена через один из последовательных дополнительных резисторов или управляющий контакт к стабилитрону, подсоединенному через другой дополнительный резистор к коллекторно-эмиттерной цепи второго транзистора, база которого через третий дополнительный резистор подключена к коллектору первого транзистора, а стабилитрон включен параллельно управляющей цепи первого транзистора.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства для защиты и управления электро- и технологическим оборудованием; на фиг. 2 - схема подключения устройства и нагрузки к сети в режиме автоматического отключения и включения; на фиг. 3 - схема подключения устройства и нагрузки к сети в режиме автоматического отключения и ручного включения при требуемой схеме станции управления нагрузкой магнитным пускателем или контактором.

Устройство для защиты и управления электро- и технологическим оборудованием содержит два встречно-параллельно соединенных тиристора 1 и 2, управляющие переходы которых шунтированы резисторами 3, 4, и встречно - диодами 5 и 6. Управляющие электроды тиристоров через параллельно соединенные токоограничительные резистор 7 и конденсатор 8 подключены к выпрямительному мосту 9 - 12. К выходу выпрямителя подсоединены коллекторно-эмиттерные цепи транзисторов 13 и 14, первого - через резистор 15, второго - непосредственно. Базоэмиттерные переходы транзисторов зашунтированы резисторами соответственно 16 и 17. Базовая цепь первого транзистора 13 через резистор (или элемент) 18 подключена к стабилитрону 19, подсоединенному в свою очередь через резистор 20 к коллекторно-эмиттерной цепи транзистора 14, его база через резистор 21 подключена к коллектору транзистора 13. В качестве резистора 16 может быть использован позистор, либо в качестве резистора 18 может быть использован терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Для обеспечения функции управления вместо резистора 18 подключается контакт управления. Подключение устройства к нагрузке и сети питания U производится в соответствии со схемами фиг. 2 или 3 клеммами 22, 23. В последних схемах 24 - нагрузка, 25 - кнопка "Пуск", 26 - кнопка "Стоп", 27 - катушка магнитного пускателя или контактора, 28 и 29 - его контакты (главная и блок-контакт).

Устройство работает следующим образом.

В рабочем состоянии (при прохождении тока через тиристорный ключ и его нагрузку) в начале каждого полупериода напряжение сети через нагрузку прикладывается к зажимам 22 и 23. Появляется положительное анодное напряжение одного из тиристоров ключа 1 или 2. Это напряжение одновременно через диод, шунтирующий управляющий переход противоположного тиристора 2 (или 1) и собственно через управляющий переход тиристора с положительным анодным потенциалом 1 (или 2), через ограничительный резистор 7 и шунтирующий конденсатор 8, а также через выпрямитель 9-12 прикладывается к запертому транзистору 14 (между его коллектором и эмиттером). Это же напряжение через резисторы 15 и 21 вызывает базоэмиттерный ток транзистора 14. В рабочем состоянии транзистор 13 второго плеча триггера заперт: управляющий его ток ограничен либо терморезистором 18, имеющим большое сопротивление при рабочей температуре, либо шунтирован позистором 16, имеющим малое сопротивление при рабочей температуре. Через 10 - 30 электрических градусов после начала полупериода напряжение сети, а соответственно, базоэмиттерный ток транзистора 14 нарастают до достаточного для его отпирания уровня. Появляется ток управляющего перехода одного из тиристоров ключа, достаточный для его отпирания. Напряжение между зажимами 22 и 23 спадает до уровня около 1 B (прямого падения напряжения на тиристоре). При этом напряжение сети через тиристорный ключ прикладывается к нагрузке, вызывая ток через нее.

Во второй полупериод напряжения сети процессы повторяются. При этом измененное направление питающего напряжения и управляющего тока тиристоров вызывают включение второго тиристора: 2, если в первый полупериод включался 1, и 1, если в первый полупериод включался тиристор 2.

Стабилитрон 19, включенный параллельно управляющей цепи транзистора 13, исключает зависимость включения данного транзистора от уровня питающего напряжения: его управляющий ток обусловлен стабильным по амплитуде напряжением и сопротивлениями индуктирующего и последовательного ограничительного резисторов. Поэтому отпирание транзистора 13 возможно только при изменении сопротивления применяемого терморезистора, причем температурный порог отпирания при этом стабилен и не зависит от уровня напряжения сети.

Если контролируемая терморезистором температура возрастает, то независимо от типа применяемого терморезистора происходит возрастание базоэмиттерного тока транзистора 13. Если датчиком температуры является терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом, то он включается последовательно с базоэмиттерным переходом и при возрастании температуры снижает свое сопротивление, обусловливая возрастание управляющего тока транзистора. Если в качестве датчика температуры применяется позистор, включаемый в цепь шунтирования транзистора 13, то повышение его сопротивления при возрастании температуры также обуславливает повышение управляющего тока, а соответственно, отпирание транзистора 13. То же характерно при использовании в качестве элемента 18 (или 16) управляющего контакта.

Открытое состояние транзистора 13 при повышенной контролируемой температуре или при изменении состояния управляющего контакта обуславливает изменение состояния и второго транзистора триггера. За счет шунтирования управляющего тока транзистора 14 последний остается в закрытом состоянии. Это вызывает резкое уменьшение тока выпрямителя 9-12, а следовательно, управляющего тока тиристоров. Последние также остаются в закрытом состоянии. Нагрузка при этом отключена от сети.

Режим непосредственного отключения нагрузки тиристорным ключом обеспечивается схемой, изображенной на фиг. 2. Особенностью такой схемы коммутации нагрузки является автоматическая подача напряжения на нагрузку 24 при снижении температуры до допустимого уровня.

Схемой, изображенной на фиг. 3, обеспечивается обесточивание тиристорным ключом цепи питания катушки 27 магнитного пускателя или контактора, а их контактами - нагрузки 24 (как однофазной, так и трехфазной). Особенностью такой схемы коммутации является неавтоматический режим повторного включения нагрузки после снижения температуры до допустимого уровня. Для повторного включения требуется нажатие кнопки 25 с замыкающим контактом, после чего включение пускателя или контактора переводит схему в режим самоудержания питания через блок-контакт 29 контактора или пускателя. Такая схема применяется в двух случаях: при допустимости только ручного управления включением нагрузки; при мощности нагрузки, превышающей мощность, коммутируемую тиристорным ключом. Ручное отключение нагрузки в этом случае обеспечивается кнопкой 26 с размыкающим контактом.

Использование управляющего слаботочного контакта низкого напряжения (например, магнитоуправляемого) в качестве элемента схемы 18 (или 16) позволяет осуществлять управление нагрузкой 24 путем его замыкания и размыкания. Такое управление необходимо, например, для включения сварочных агрегатов дистанционно только при начале процесса сварки. Отключенное состояние агрегатов на остальных интервалах времени исключает потребление ими энергии в режиме холостого хода.

Кроме того, в качестве элемента схемы 18 (или 16) может быть применен датчик любого другого параметра, изменяющий свое сопротивление под действием данного параметра. В этом случае осуществляется защита объекта (электро- или технологического оборудования) по давлению, влажности, освещенности, уровню среды, концентрации вещества, весу, току, напряжению, мощности, сопротивлению и прочим параметрам.

Положительный эффект, обеспечиваемый новой совокупностью признаков заключается в:
упрощении схемотехнического решения: оно не требует стабилизированного источника питания ни для тиристорного ключа, ни для триггерно-транзисторной части схемы;
повышении коммутационной способности по сравнению с контактными аналогичными устройствами;
обеспечении возможности регулировки уставки срабатывания по температуре путем применения термодатчиков с разным температурным порогом срабатывания;
обеспечении возможности контроля температур в области пониженных температур (60^oC и ниже);
обеспечении возможности использования датчика не только с увеличивающимся сопротивлением при возрастании температуры, но и с уменьшающимся сопротивлением, например, ртутного термометра;
применимости датчиков типа "сухой контакт";
повышении устойчивости как отключенного, так и включенного состояния за счет триггерного построения управляющей части схемы;
повышении помехоустойчивости схемы за счет построения управляющей части по схеме триггера;
расширении функциональных возможностей и области применения путем использования устройства в качестве бесконтактного коммутатора нагрузки.

Известны схемы устройства температурной защиты типа УВТЗ-1, УВТЗ-1М, УВТЗ-4А, УВТЗ-4Б, УВТЗ-5, УВТЗ-5М, основанные на применении позисторов в качестве датчиков температуры, транзисторных реагирующих ключей, тиристорных выходных элементов и исполнительных контактных электромеханических реле.

По сравнению с ними предлагаемое техническое решение не требует блоков питания для тиристорного ключа и управляющей части устройства и, следовательно, отличается простотой схемотехнического решения. Повышенная устойчивость как включенного, так и отключенного состояния управляющей и исполнительной части схемы (за счет триггерного ее построения) обеспечивает высокую помехозащищенность схемы и возможность ее применения в силовых электроустановках. За счет отсутствия управляющего тока в запертом состоянии тиристорного ключа и за счет шунтирования его тиристорынм ключом после отпирания обеспечивается повышенная экономичность схемы (низкое энергопотребление). Высокая коммутационная способность исполнительной части схемы (тиристорного ключа) обуславливает расширенные функциональные возможности, а соответственно, область применения схемы:
в качестве температурной защиты с последующим ручным включением защищаемого объекта;
в качестве температурной защиты с автоматическим включением нагрузки;
в качестве схемы термостатирования;
в качестве схемы бесконтактного управления нагрузкой.

Формула изобретения

Устройство для защиты электро- и технологического оборудования, содержащее датчик температуры-позистор, шунтирующий базоэмиттерный переход первого ключа, выполненного на базе транзистора n-p-n-типа, коллекторно-эмиттерная цепь которого связана с управляющей цепью второго транзистора, исполнительный тиристор и однофазный двухполупериодный выпрямитель, отличающееся тем, что выпрямитель стороной переменного напряжения включен последовательно с управляющими переходами встречно-параллельно включенных указанного и введенного исполнительных тиристоров и ограничительным резистором, при этом управляющий переход каждого исполнительного тиристора шунтирован резистором и встречно включенным диодом, а к выходу выпрямителя подсоединены коллекторно-эмиттерные цепи первого транзистора через один введенный резистор, а второго - непосредственно, причем базоэмиттерный переход второго транзистора шунтирован другим введенным резистором, а базовая цепь первого транзистора подключена через один из последовательных дополнительных резисторов или управляющий контакт к стабилитрону, подсоединенному через другой дополнительный резистор к коллекторно-эмиттерной цепи второго транзистора, база которого через третий дополнительный резистор подключена к коллектору первого транзистора, а стабилитрон включен параллельно управляющей цепи первого транзистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3