Устройство для коммутации и токовой защиты цепей постоянного тока

 

Изобретение может быть использовано для коммутации и защиты электроприемников в цепях постоянного тока. Технический результат заключается в обеспечении возможности использования устройства в широком диапазоне токов нагрузки без изменения параметров элементов схемы защиты и обеспечении возможности установки порога срабатывания токовой защиты в пределах всего диапазона, а также повышении точности срабатывания защиты за счет увеличения быстродействия. Для этого в устройство для коммутации и токовой защиты цепей постоянного тока, содержащее последовательно соединенные резистивный датчик тока, ключевой элемент, нагрузку, включенные между плюсом и минусом питающей сети, схему управления ключевым элементом, дополнительно введены схема запуска одновибратора, регулируемый делитель напряжения, стабилизатор напряжения, одновибратор. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для коммутации и защиты электроприемников в цепях постоянного тока.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для коммутации и токовой защиты [1], содержащее силовой транзисторный ключ, резистивный датчик тока, блокирующий диод, схему управления силовым транзисторным ключом, схему формирования защитной токо-временной характеристики.

Недостатками устройства являются: 1. Устройство не может функционировать в широком диапазоне значений токов без изменения параметров элементов схемы защиты, а также не обеспечивает возможность установки порога срабатывания защиты в пределах всего диапазона, действительно, величина тока срабатывания защиты определяется сопротивлением датчика тока, коэффициентом усиления усилителя в цепи защиты и значением порогового напряжения на входе компаратора (которое постоянно при постоянном напряжении сети), все эти параметры элементов в устройстве фиксированы и соответствуют определенному значению тока.

2. Низкое быстродействие схемы защиты при формировании защитной время-токовой характеристики, что снижает точность токовой отсечки, действительно, при токовых перегрузках по амплитуде ниже максимального уровня в цепь защиты включается интегратор, вносящий дополнительную задержку при этом, от момента достижения током порогового уровня до момента выключения силового транзисторного ключа, ток нарастает непредсказуемо и его величина зависит от многих факторов.

3. Отсутствие контроля состояния цепи нагрузки на обрыв и перегрузку до и после включения устройства.

Цель изобретения - обеспечение возможности использования устройства в широком диапазоне токов нагрузки без изменения параметров элементов схемы защиты и обеспечение возможности установки порога срабатывания токовой защиты в пределах всего диапазона, а также повышение точности срабатывания защиты за счет увеличения быстродействия, расширение функциональных возможностей устройства путем введения схемы контроля цепи нагрузки на обрыв и перегрузку.

Для достижения этого технического результата, в устройство для коммутации и токовой защиты цепей постоянного тока, содержащее последовательно соединенные резистивный датчик тока, ключевой элемент, нагрузку, включенные между плюсом и минусом питающей сети, схему управления ключевым элементом, в него дополнительно введены схема запуска одновибратора, регулируемый делитель напряжения, стабилизатор напряжения, одновибратор и схема контроля цепи нагрузки на обрыв и перегрузку.

Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых звеньев в устройстве и связей между ними.

Таким образом заявляемое устройство соответствует критерию патентоспособности изобретения "новизна".

Введение в устройство для коммутации и токовой защиты цепей постоянного тока регулируемого делителя напряжения, схемы запуска одновибратора, одновибратора, стабилизатора напряжения и схемы контроля выходной цепи на обрыв и перегрузку позволяет снизить количество звеньев в контуре защиты, тем самым повысить быстродействие, и дает возможность устанавливать порог срабатывания токовой защиты устройства в широких пределах и контролировать состояние выходной цепи на обрыв и перегрузку.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство содержит схему управления ключевым элементом 1, на вход которой подается сигнал управления, схему запуска одновибратора 2, состоящую из транзисторов 3, 4, управляемый делитель напряжения 5, состоящий из резистора 6 и переменного резистора 7, определяющий порог срабатывания защиты, к точке их соединения подключается эмиттер третьего транзистора, база которого соединяется с базой и колллектором 4 транзистора и первым выводом резистора 8, который определяет начальное смещение, второй вывод которого соединяется со вторым выводом резистора 7, вторым выводом резистора 6 делитель соединяется с плюсом сети, эмиттером транзистора 4, схема запуска соединяется с точкой соединения датчика тока 9 и ключевого элемента 10, с коллектора 3 транзистора сигнал превышения током нагрузки порогового, заданного делителем уровня подается на вход одновибратора 11, который формирует блокирующий импульс, поступающий в схему управления и на вход ключевого элемента.

Сопротивление датчика тока выбирается из условия: R_дт = P_доп/I_м², где: P_доп - допустимая рассеиваемая мощность на датчике; I_м² - максимально-возможный ток, коммутируемый устройством; Датчиком тока может служить, например, обрезок проволоки сечением S и длиной L, из термостабильного материала (манганин, константан и др.), при этом: R_дт = ρ·L/S, где ρ - удельное сопротивление; значения L и S выбираются из условий допустимого перегрева и минимальных габаритов.

Для стабилизации режима работы схемы запуска одновибратора при изменении величины питающего напряжения используется стабилизатор напряжения 12, первым выводом подключенный к плюсу сети, вторым выводом подключенный к точке соединения резисторов 7 и 8.

Схема контроля цепи нагрузки на обрыв и перегрузку 13, представляющая собой, например, транзисторную схему, являющуюся источником тока для цепи нагрузки при отсутствии сигнала управления, включенная между плюсом и минусом питающей сети, первым выходом подключается к точке соединения ключевого элемента и блокирующего диода 14, на вход схемы подается сигнал управления, со второго выхода, соединенного с клеммой "контроль" снимается сигнал состояния цепи нагрузки.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии на входе устройства управляющего сигнала, ключевой элемент выключен, на выходе устройства напряжение отсутствует, схема контроля выдает на клемму "контроль" сигнал, уровень которого зависит от наличия или отсутствия обрыва в выходной цепи. При подаче на вход устройства управляющего сигнала, на выходе устройства появляется напряжение, равное напряжению питающей сети, за вычетом падения напряжения на датчике тока и ключевом элементе.

Если ток нагрузки превысит пороговое значение, которое выставляется переменным резистором 7, на выходе схемы запуска одновибратора появляется сигнал, поступающий на вход одновибратора, при этом, условие отсутствия сигнала: U_ст·R₅/(R₅ + R₆) ≥ I_пп·R_дт+(U_бэ2-U_бэ1), где U_ст - напряжение стабилизации стабилизатора 12; U_бэ1, U_бэ2 - напряжение база-эмиттер 3 и 4 транзисторов соответственно; I_пп - предпороговое значение тока нагрузки.

Условие появления сигнала защиты на выходе одновибратора: U_cт·R₅/(R₅+R₆)+(U_бэ1-U_бэ2)+ΔU_бэ1 = I_пор·R_дт,
где I_пор - пороговое значение тока нагрузки; U_бэ1 = U_бэ2 - без учета технологического разброса, тогда
U_cт·R₅/(R₅+R₆)+ΔU_бэ1 = I_пор·R_дт,
где ΔU_бэ1 - чувствительность схемы защиты,
ΔU_бэ1 = ϕLn(1+ΔU_o/U_по).
где ϕ - температурный потенциал;
ΔU_o - чувствительность одновибратора;
U_по - пороговое напряжение одновибратора.

Сигнал превышения током нагрузки порогового значения с выхода схемы запуска одновибратора поступает на вход одновибратора, одновибратор формирует блокирующий импульс, поступающий в схему управления и на вход ключевого элемента, запирая его. Длительность запирающего импульса определяется параметрами элементов в схеме одновибратора и определяет характер защитной токовой характеристики устройства. После запирания ключевого элемента 10 ток нагрузки уменьшается до нуля, сигнал с выхода схемы 2 исчезает, затем, через время, равное длительности блокирующего импульса, одновибратор сбрасывается, происходит повторное включение устройства, таким образом, в режиме защиты, на выходе устройства формируются импульсы тока, с паузой, определяемой параметрами одновибратора. Импульсы с выхода устройства поступают на вход схемы контроля 13 и на клемме "контроль" появляется сигнал, уровень которого соответствует режиму перегрузки на выходе устройства.

Результаты испытаний заявляемого в качестве изобретения устройства для коммутации и токовой защиты цепей постоянного тока положительные, и данное устройство принято к серийному производству для коммутации электроприемников в цепях постоянного тока в составе систем управления.

Источники информации
1. А.С. N 1624585, H 02 H 3/087, 30.01.1991.

Формула изобретения

1. Устройство для коммутации и токовой защиты цепей постоянного тока, содержащее последовательно соединенные резистивный датчик тока, ключевой элемент, нагрузку, включенные между плюсом и минусом питающей сети, схему управления ключевым элементом, отличающееся тем, что в него дополнительно введены схема запуска одновибратора, регулируемый делитель напряжения, стабилизатор напряжения, одновибратор, при этом схема запуска одновибратора содержит два транзистора, причем эмиттер третьего транзистора соединяется с точкой соединения выводов шестого и седьмого переменного резисторов, базой третий транзистор соединяется с базой и коллектором четвертого транзистора и первым выводом восьмого резистора, второй вывод восьмого резистора соединяется со вторым выводом седьмого резистора и первым выводом стабилизатора напряжения, второй вывод которого соединяется с плюсом сети и вторым выводом шестого резистора, а также первым выводом датчика тока, второй вывод датчика тока соединяется с эмиттером четвертого транзистора, коллектор третьего транзистора соединяется с входом одновибратора, первый выход которого соединяется со схемой управления ключевым элементом, а второй выход - с входом ключевого элемента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него дополнительно введена схема контроля цепи нагрузки на обрыв и перегрузку, включенная между плюсом и минусом питающей сети, которая первым выходом соединяется с точкой соединения ключевого элемента и нагрузки, вторым выходом - с клеммой "контроль" устройства, а на вход схемы контроля цепи нагрузки на обрыв и перегрузку подается сигнал управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1