Устройство защиты трехфазных нагрузок

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах защиты трехфазных электрических нагрузок, в частности электродвигателей. Цель, достигаемая изобретением, заключается в улучшении показателей надежности, упрощении устройства. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве, содержащем исполнительный орган, включенный в каждую из фаз сети, датчик перегрузки, устройство управления, содержащее сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения, исполнительный элемент и времязадающую цепь, содержащую два делителя с объединенной средней точкой, ключ контроля и сигнализации, в цепь которого включен светодиод, датчик перегрузки выполнен на одном трансформаторе тока, включенном в любую из фаз сети, и введены два делителя максимального и минимального уровней, четыре триггера Шмидта, выходной ключ, в цепь которого установлена тиристорная оптопара, включенная в цепь исполнительного элемента. В аварийных режимах выходной ключ закрывается, цепь управления исполнительным элементом разрывается, срабатывает исполнительный орган, нагрузка отключается. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах защиты по току, обрыва фаз трехфазных нагрузок.

Известны устройства защиты трехфазных нагрузок [1], в которых для указанных целей используются датчик сигнала, включенный в одну из фаз сети, исполнительный орган, устройство управления, выполненное на операционных усилителях, и исполнительный элемент, воздействующий на исполнительный орган.

Недостатком известного устройства является отсутствие регулировки защиты (жестко фиксируется отношение минимального тока к максимальному), отсутствие контроля состояния нагрузки, большое собственное потребление энергии на мощных резистивных делителях, сложность устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является выбранное в качестве прототипа устройство комбинированной защиты [2], содержащее исполнительный орган, датчик перегрузки, устройство управления и исполнительный элемент, датчик перегрузки включен в две из трех фаз, выполнен в виде трансформаторов тока с резистривной нагрузкой, нагруженной на две схемы выпрямления, устройство управления выполнено в виде трех делителей напряжения, компаратора, времязадающей цепи, формирующей обратнозависимую времятоковую характеристику.

Недостатком такого устройства является наличие двух датчиков, а также отсутствие контроля исправности схемы управления.

Целью изобретения является упрощение устройства, улучшение показателей надежности.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем исполнительный орган, включенный в каждую из фаз сети, датчик перегрузки, устройство управления, содержащее сглаживающий фильтр и стабилизатор напряжения, исполнительный элемент и времязадающую цепь, содержащую два делителя напряжения с объединенной средней точкой, ключ контроля и сигнализации, в цепи которого включен светодиод, датчик перегрузки выполнен на одном трансформаторе тока, включенном в любую из фаз сети, к потенциальной точке соединения первого выпрямителя и сглаживающего фильтра подключены два делителя максимального и минимального уровней, один из выводов упомянутых делителей подключен к вторым входам первого и второго триггеров Шмидта, первые входы которых подключены через датчик уровня, подключенный к выходной шине вспомогательного стабилизатора, выходы упомянутых триггеров через ограничительные резисторы подключены к входам первого и второго ключей, коллекторная нагрузка первого ключа подключена к потенциальной точке, коллектор ключа через резистор связи - к второму входу второго триггера Шмидта и через коллекторную нагрузку - к вспомогательному источнику напряжения или выходной шине вспомогательного стабилизатора, средняя точка времязадающей цепи подключена к второму входу третьего триггера Шмидта, к первому входу которого подключена цепь задержки, выход упомянутого триггера подключен к первому входу четвертого триггера Шмидта, второй вход которого через ограничительный резистор сигнала минимального уровня подключен к коллектору второго ключа, выход четвертого триггера через ограничительный резистор подключен к входу выходного ключа, в цепи эмиттера которого включен светодиод оптопары, фототиристор которой через второй выпрямитель подключен к исполнительному элементу.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых узлов и связей, например датчик тока, устройство управления, выходной ключ, и связями с остальными узлами и элементами.

Таким образом, заявленное устройство является новым, т.к. неизвестно из уровня техники.

Сравнение заявленного устройства с другими техническими решениями показывает, что при введении новых узлов с указанными связями появляются новые свойства, такие как повышенная надежность.

Это позволяет сделать вывод о том, что техническое решение имеет изобретательский уровень, т.к. для авторов оно явным образом не следует из уровня техники.

На чертеже изображена структурно-принципиальная схема устройства.

Устройство содержит датчик тока 1, входом включенный в одну из фаз трехфазной сети, выходы датчика подключены к входу первого выпрямителя 2, выход которого подключен к емкостному сглаживающему фильтру 3, от которого питается (т.е. является входом) вспомогательный стабилизатор 4, к потенциальной точке соединения элементов 3 и 4 подключен делитель максимального уровня на резисторах 5, 6 и делитель минимального уровня на резисторах 7 и 8, причем резисторы 5 и 7 соединены между собой, вторые их выводы подключены к общей точке, резисторы 6 и 8 первыми выводами подключены к подвижным контактам резисторов 5 и 7, а вторыми - к вторым входам первого и второго триггеров Шмидта 9 и 10, к первым входам которых через датчик уровня 11 подключен потенциальный выход вспомогательного стабилизатора 4. Выход триггера 9 подключен к входу первого ключа 12 через ограничительный резистор 13, коллекторной нагрузкой упомянутого ключа является резистор 14, подключенный к потенциальной точке соединения элементов 3 и 4; к силовой цепи транзистора первого ключа 12 подключены два делителя: первый содержит последовательно включенные резистор 15, диод 16 и резистор 17, второй - резистор 18 и конденсатор 19, включенные также последовательно, первый вывод резистора 17 подключен к аноду диода 16 и первому выводу конденсатора 19, вторые выводы элементов 17 и 19 подключены к общей точке.

Узел задержки 20 содержит регулируемый резистор 21, конденсатор 22, резистор 23, соединенные между собой первыми выводами, вторые выводы элементов 21 и 22 подключены к общей точке, а второй вывод элемента 20 - к потенциальному выходу вспомогательного стабилизатора 4. Выход второго триггера Шмидта 10 через ограничительный резистор 24 подключен к входу второго ключа 25, коллектор которого подключен к резистору связи минимального уровня, соединенному другим выводом с вторым входом второго триггера Шмидта 10, к коллекторной нагрузке второго ключа 27, подключенной к выходу источника 4 или вспомогательному источнику напряжения, и ограничительному резистору сигнала минимального уровня 28, к его первому выводу.

Точка соединения элементов 21, 22, 23 подключена к первому входу третьего триггера 29, к второму входу которого подключена точка соединения элементов 17 и 19, выход упомянутого триггера 29 подключен к первому входу четвертого триггера Шмидта 30, к второму входу которого подключен второй вывод элементов 28, выход триггера 30 через ограничительный резистор 31 подключен к входу выходного ключа 32, базовый резистор 33 которого и коллекторный резистор 34 подключены к потенциальному выходу вспомогательного стабилизатора 4. В цепи выходного ключа 32 установлена оптопара 35, а именно светодиод 36, фотоприемник (фототиристор 37) упомянутой оптопары гальванически развязан с цепью управления исполнительным элементом. Выход элемента 9 через ограничительный резистор 38 и соединенный с ним базовый резистор 39 подключен к входу ключа индикации 40, в цепи коллекторного резистора 41 последовательно включен светодиод 42, выводы фототиристора 37 подключены к входу второго выпрямителя 43, выход которого подключает источник питания - элемент 44, элемент 45 представляет собой пусковую кнопку, 46 - нормально открытый контакт элемента 44, 47 - контакт исполнительного органа, 48 - нагрузку, 49, 50 - последовательно соединенные конденсатор и резистор, подключенные к выходу второго выпрямителя, 51 - кнопку "Стоп".

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме работы, т.е. при отсутствии перегрузок по току и обрыва любой из фаз, напряжение на выходе первого триггера Шмидта 9 таково, что транзистор первого ключа 12 открыт, транзистор ключа индикации 40 закрыт, светодиод 42 не индицирует аварийное состояние, аналогично транзистор второго ключа 25 закрыт выходным сигналом второго триггера Шмидта 10. Величины напряжений на входах и выходах третьего триггера Шмидта 29 и четвертого 30 таковы, что выходной ключ 32 находится в открытом состоянии, светодиод 36, оптопара 35 и фототиристор 37 включены, в результате чего образуется цепь включения через элемент 43 исполнительного элемента 44, где 45 - кнопка включения, замыкается контакт 46, включается исполнительный орган 47 и нагрузка 48, цепь из элементов 49, 50, а также цепь задержки 20 служат для надежной работы устройства при переходных процессах.

Схема обратной последовательности на элементах 15 - 19 работает следующим образом.

В нормальном режиме работы, т.к. первый ключ 12 открыт, конденсатор 19 полностью разряжен. При увеличении тока через датчик 1, т.е. увеличении напряжения на элементе 3 увеличивается напряжение на элементах 14, 18, 19, первый ключ 12 на транзисторе закрывается, начинается заряд конденсатора 19, время заряда которого определяется величиной входного напряжения на вспомогательном стабилизаторе 4, т.е. реализуется обратная зависимость времени заряда от кратности перегрузки: чем больше ток нагрузки, тем меньше время заряда конденсатора 19. При возвращении в исходное состояние конденсатор быстро разряжается через элементы 16, 15 и открытый первый ключ 12.

В аварийном режиме работы при симметричной нагрузке или обрыве фазы (что приводит к перераспределению токов) напряжение на конденсаторе 3 увеличивается, соотношение входных сигналов на делителе максимального уровня 5, 6 становится таким, что переключается первый триггер 9, транзистор первого ключа 12 закрывается, начинает заряжаться конденсатор 19 и при достижении определенного уровня входного сигнала на третьем триггере Шмидта 29 он переключается так же, как и четвертый триггер 30, выходной ключ на транзисторе 32 закрывается, отключаются элементы 36 и 37, разрывая цепь питания исполнительного элемента 44, отключая тем самым исполнительный орган 47 и нагрузку 48. Одновременно включается ключ индикации 40 и светодиод 42 сигнализирует наличие аварийного состояния.

При обрыве фазы, в которой находится датчик тока 1 (или в режиме несимметричной работы, неявного обрыва), уменьшается входное напряжение на вспомогательном стабилизаторе 4, срабатывает цепь делителя минимального уровня, открывается второй ключ 25, поступает сигнал на второй вход четвертого триггера Шмидта 30, в результате чего закрывается выходной ключ 32, разрывая в конечном итоге цепь питания исполнительного элемента 44.

Таким образом, предложенное устройство обладает лучшими показателями по надежности, т. к. оно проще и, кроме того, оно контролирует исправность самого себя: при неисправности устройства защиты оно не включается.

Приведенные сведения (для уменьшения потребления в качестве триггеров Шмидта могут быть использованы элементы КМОП - технологии серий 561, 564 и др.) подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

Формула изобретения

Устройство защиты трехфазной нагрузки, содержащее исполнительный орган, включенный в каждую из фаз сети, датчик перегрузки, фильтр, стабилизатор, исполнительный элемент, обеспечивающий включение и отключение исполнительного органа и времязадающую цепь из двух делителей с объединенной средней точкой, ключ индикации, в цепь которого включен светодиод, отличающееся тем, что введены два резистивных делителя, первый из которых является резистивным делителем максимального уровня, а второй - резистивным делителем минимального уровня, четыре триггера Шмидта, первый и второй ключи, связанные с соответствующими коллекторными нагрузками, узел задержки из двух последовательно соединенных резисторов, первый из которых зашунтирован конденсатором, выходной ключ, оптопара и два выпрямителя, при этом датчик перегрузки включен входом в одну из фаз сети, а выходом к входу первого выпрямителя, выход которого подключен к фильтру, подключенному к входу питания стабилизатора, а также к первому и второму резистивным делителям и силовой цепи с коллекторной нагрузкой первого ключа, при этом коллекторная нагрузка связана с потенциальным выводом фильтра и входа питания стабилизатора, первые входы первого и второго триггеров Шмидта подключены к потенциальному выходу стабилизатора, их вторые входы - к средним выводам соответствующих резистивных делителей, а их выходы - к входам первого и второго ключей соответственно, коллектор второго ключа подключен через соответствующие резисторы к второму входу второго триггера Шмидта и к второму входу четвертого триггера Шмидта, кроме того, выход первого триггера Шмидта подключен к входу ключа индикации, коллекторная нагрузка второго ключа подключена к потенциальному выходному выводу стабилизатора, выход второго триггера Шмидта подключен к входу второго ключа, средняя точка времязадающей цепи подключена к второму входу третьего триггера Шмидта, к первому входу которого подключена общая точка выводов резисторов и конденсатора узла задержки, при этом другой вывод второго резистора узла задержки соединен с потенциальным выходным выводом стабилизатора, а другой вывод первого резистора - с общим выводом, выход третьего триггера Шмидта подключен к первому входу четвертого триггера Шмидта, выход которого соединен с входом выходного ключа, в цепь которого, связанную с потенциальным выходным выводом стабилизатора, включен светодиод оптопары, фототиристор которой через второй выпрямитель подключает источник питания к исполнительному элементу.

РИСУНКИ

Рисунок 1