Устройство для защиты электрических цепей

 

Изобретение относится к релейной защите, в частности предназначено для защиты трехфазных электродвигателей от перегрузок по току. Устройство содержит трансформаторы тока, выпрямитель напряжений, блок контроля перегрузки, тепловой имитатор электрической цепи, компаратор и исполнительное реле. При возникновении перегрузки в электрической цепи на входе выпрямителя возникает напряжение, превышающее номинальное, блок контроля перегрузки выдает сигнал, пропорциональный действующему току в электрической цепи, на выходе имитатора образуется напряжение, по величине пропорциональное энергии нагрева электрической цепи. При превышении последнего напряжения некоторого значения, задаваемого опорным напряжением, замыкается электронный ключ компаратора, который включает исполнительное реле, и электрическая цепь отключается от напряжения сети. В блоке контроля перегрузки использован полевой транзистор, имеющий квадратичную зависимость на начальном участке вольтамперной характеристики, за счет чего достигаются повышение точности срабатывания и упрощение конструкции устройства, то есть достигается технический результат. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для защиты электрических цепей от повреждения токами перегрузок и короткого замыкания, в частности для отключения электродвигателя при возникновении аварийных режимов работы.

Известно устройство для защиты электрических цепей, содержащее трансформаторы тока для подключения в разные фазы питания электрической цепи, выпрямитель напряжений, блок контроля перегрузки, тепловой имитатор электрической цепи, компаратор и исполнительное реле [1].

Недостатком известного устройства является то, что оно реагирует на среднее значение напряжения выпрямителя и, следовательно, на среднее значение токов, протекающих через первичные обмотки трансформаторов тока, или на среднее значение токов, протекающих в фазах питания электрической цепи. В то же время как нагрев проводов и обмоток электрических цепей происходит от действующего (эффективного) значения тока, протекающего через данные провода и обмотки. Для контроля тока по действующему значению в устройстве блок контроля перегрузки должен реагировать на квадратичное значение тока.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для защиты электрических цепей, содержащее датчик тока для подключения в цепь питания электрической цепи, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходу датчика тока, и тепловой имитатор электрической цепи, входы которого подключены к выходам блока контроля перегрузки, а выходы через компаратор к входам исполнительного реле [2]. Это известное устройство позволяет получать нелинейную зависимость сигнала на выходе блока контроля перегрузки от тока, протекающего через провода и обмотки электрической цепи, и тем самым, позволяет получить некоторое повышение точности срабатывания защиты.

Однако в данном устройстве фактически не достигается квадратичная зависимость между сигналом на выходе блока контроля перегрузки от величины тока, протекающего через провода и обмотки электрической цепи. Нелинейная зависимость достигается за счет р-n переходов (диода и переходов база-эмиттер транзисторов). Известно, что вольтамперная характеристика р-n перехода имеет экспоненциальную, а не квадратичную зависимость. Кроме того, в известном устройстве блок контроля перегрузки содержит биполярные транзисторы, которые усложняют конструкцию блока контроля перегрузки и, следовательно, устройство в целом.

Цель изобретения - повышение точности срабатывания устройства путем получения более точной квадратичной зависимости выходного сигнала блока контроля перегрузки от величины тока, протекающего через провода и обмотки, и упрощение конструкции устройства.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для защиты электрических цепей, содержащем датчик тока для подключения в цепь питания электрической цепи, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам датчика тока, и тепловой имитатор электрической цепи, входы которого подключены к выходам блока контроля перегрузки, а выходы через компаратор - к входам исполнительного реле, блок контроля перегрузки выполнен в виде делителя напряжения на резисторе и полевом транзисторе с управляющим р-n переходом, затвор которого соединен с истоком этого же транзистора, а клеммы, с которыми соединены сток и исток транзистора, образуют выходы блока контроля перегрузки.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 показаны электрические схемы предлагаемого устройства в двух вариантах исполнения.

Устройство содержит датчик тока, выполненный из трансформаторов 1, 2, 3 тока для подключения в фазы А, В, С питания электрической цепи, выпрямитель 4 напряжений, входы которого подключены к выходам трансформаторов 1, 2, 3 тока, блок 5 контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам выпрямителя 4 напряжения, и тепловой имитатор 6 электрической цепи, входы которого подключены к выходам блока 5 контроля, а выходы через компаратор 7 - к входам исполнительного реле 8, т.е. выходы имитатора 6 подключены к входам компаратора 7, а обмотка исполнительного реле 8 в свою очередь подключена через электронный ключ компаратора 7 к источнику питания. Трансформаторы 1, 2, 3 тока, выпрямитель 4 в совокупности можно рассматривать как датчик постоянного тока. Блок 5 контроля перегрузки выполнен в виде делителя напряжения на резисторе 9 и полевом транзисторе 10 с управляющим р-n переходом, затвор которого соединен с истоком этого же транзистора 10. Средняя точка выпрямителя 4 подключена к общей шине устройства, которая на чертеже обозначена в виде корпуса. Клемма, с которой соединен сток транзистора 10, образует один выход блока 5 контроля перегрузки, а клемма, с которой соединен исток транзистора 10, образует другой выход блока 5 контроля перегрузки, т. е. клеммы, с которыми соединены сток и исток полевого транзистора 10, образуют выходы блока 5 контроля перегрузки.

Питание операционного усилителя имитатора 6 и компаратора 7 осуществляется от стабилизаторов напряжения, выполненных на транзисторах 11, 12. С целью наглядности работы устройства, провода, соединяющие напряжения питания с операционным усилителем и компаратором, на чертежах не показаны.

Катушка магнитного пускателя 13 включена в сеть посредством нормально разомкнутой кнопки "Пуск" 14 и нормально замкнутой кнопки "Стоп" 15. Параллельно кнопке "Пуск" включены нормально разомкнутые контакты пускателя 13. Последовательно кнопке "Стоп" включены нормально замкнутые контакты исполнительного реле 8.

На фиг.1 в блоке 5 контроля перегрузки последовательная цепь резистор 9 - полевой транзистор 10 включена между положительной клеммой и средней точкой (корпусом) выпрямителя 4. На фиг.2 в блоке 5 контроля перегрузки последовательная цепь, резистор 9' - полевой транзистор 10 - резистор 9" включена между положительной и отрицательной клеммами выпрямителя 4. В обоих вариантах исполнения затвор соединен с истоком транзистора 10.

Дополнительно в устройстве предусмотрена возможность ускоренного отключения сети от токов перегрузки. Для этой цели между выходной клеммой выпрямителя 4 и одним из входов компаратора 7 включен стабилитрон 16.

Устройство работает следующим образом.

При нажатии кнопки "Пуск" на катушку магнитного пускателя 13 подается напряжение сети. Замыкаются силовые контакты пускателя 13, напряжение сети подается к нагрузке, одновременно замыкаются контакты, шунтирующие кнопку "Пуск", и поддерживается подача напряжения к катушке пускателя 13. При этом по первичным обмоткам трансформаторов 1, 2, 3 потекут токи. Во вторичных обмотках этих трансформаторов будут индуцироваться напряжения, величина которых определяется коэффициентом трансформации и величиной шунтирующих вторичные обмотки резисторов. Эти напряжения поступают на входы выпрямителя 4, на выходе которого будет постоянное напряжение, величиной пропорциональное токам в фазах сети.

Режим работы транзистора 10 задается резистором 9 на начальном участке его вольтамперной характеристики. Падение напряжения на резисторе 9 на порядок больше падения напряжения на транзисторе 10. Поэтому можно считать, что величина тока, протекающего через резистор 9, будет пропорциональна величинам токов, протекающих через первичные обмотки трансформаторов 1, 2, 3.

Ток резистора 9 определяет рабочую точку полевого транзистора 10. Ток I_с стока транзистора 10 будет почти ранен току резистора 9. При изменении напряжения U_зи затвор-исток изменяется проводящая ширина канала полевого транзистора, при этом изменяется его сопротивление R_си сток-исток. При малых напряжениях U_си сток-исток полевой транзистор ведет себя как управляемый резистор, сопротивление R_си канала которого пропорционально обратному напряжению на его р-n переходе. Следовательно, полевой транзистор, затвор которого соединен с истоком, имеет квадратичную зависимость _си-f(I_c)², так как ток стока определяет падение напряжения канала, которое в свою очередь определяет сопротивление канала.

Интеграл сигнала с выходов элемента 5 контроля перегрузки имитирует величину энергии теплового нагрева элементов электрической цепи или, например, асинхронного двигателя. Резистор, включенный параллельно конденсатору теплового имитатора 6, разряжает этот конденсатор. Величина напряжения, на которое разряжается конденсатор, имитирует энергию охлаждения электрической цепи. Отсюда, выходное напряжение теплового имитатора 6 будет имитировать фактический нагрев с учетом охлаждения.

При достижении напряжения на выходе теплового имитатора порога срабатывания, устанавливаемого резисторами компаратора 7, замыкается его выходной электронный ключ, по обмотке исполнительного реле 8 потечет ток. После срабатывания реле 8 размыкаются его нормально замкнутые контакты, которые включены последовательно с кнопкой "Стоп", а размыкание этих контактов равносильно нажатию кнопки "Стоп". По катушки магнитного пускателя 13 не будет протекать ток, и его контакты разомкнутся. Электрическая цепь обесточивается.

Если в электрической цепи ток протекал не выше установленного значения, в частности, когда в качестве нагрузки сети используется асинхронный двигатель и его пуск прошел нормально и двигатель нормально функционирует, то напряжение на выходе теплового имитатора 6 не достигнет порога срабатывания компаратора 7.

При отключении электрической цепи от сети кнопкой "Стоп" 15 или в результате аварийного срабатывания устройства через обмотки трансформаторов 1, 2, 3 токи прекращаются, в результате разряда конденсаторов напряжение питания падает, обмотка исполнительного реле 8 обесточивается, его нормально замкнутые контакты смыкаются, т.е. устройство готово для повторного пуска. Конденсатор теплового имитатора 6 через параллельно включенный резистор разряжается.

При возникновении аварийных режимов работы, например, при коротких замыканиях в электрической цепи через первичные обмотки трансформаторов 1, 2, 3 потекут большие токи, превышающие пусковые. На выходе выпрямителя 4 появится значительное напряжение, превышающее напряжение при пусковых режимах. Рабочая точка стабилитрона 16 входит в режим электрического пробоя, в результате чего на входе компаратора 7 появится положительное напряжение. Компаратор срабатывает, через обмотку исполнительного реле 8 потечет ток и произойдет отключение электрической цепи от напряжения сети. Тем самым обеспечивается быстрое выявление и отключение электрической цепи от напряжения сети при наличии короткого замыкания в электрической цепи без установки специальных защит, так как устройство имеет быстродействующую защиту, отстроенную от пусковых токов.

Так как в блоке 5 контроль перегрузки осуществляется по квадрату тока, то, следовательно, устройство срабатывает от перегрузки по действующему (квадратичному) значению токов, протекающих в первичных обмотках трансформаторов 1, 2, 3 тока. Тем самым повышается точность отключения электрической цепи от напряжения сети. А так как для получения квадрата тока отпадает необходимость в применении других сложных элементов, например биполярных транзисторов, то достигается упрощение конструкции устройства.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР 1457052, кл. Н 02 Н 7/08. 1989.

2. Авторское свидетельство СССР 1527686, кл. Н 02 Н 7/08, 3/08. 1994.

Формула изобретения

Устройство для защиты электрических цепей, содержащее датчик тока для подключения в разные фазы питания электрической цепи, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам датчика тока, и тепловой имитатор электрической цепи, входы которого подключены к выходам блока контроля перегрузки, а выходы через компаратор - к входам исполнительного реле, отличающееся тем, что блок контроля перегрузки выполнен в виде делителя напряжения на резисторе и полевом транзисторе с управляющим р-n переходом, затвор и исток которого соединены между собой, а клеммы, с которыми соединены сток и исток транзистора, образуют выходы блока контроля перегрузки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2