Способ защиты нагрузки от аномальных напряжений в сети

Изобретение относится к области автоматической стабилизации и защиты нагрузки в цепях постоянного и переменного тока. Технический результат заключается в обеспечении регулирования напряжения как постоянного, так и переменного тока и в ограничении времени нахождения выходного напряжения вне его допустимых значений. При реализации данного способа выходное напряжение управляется путем изменения активного сопротивления регулируемого элемента. Выходное напряжение сравнивается с нижним и верхним допустимыми значениями. Результаты сравнения представляются в виде низкого или верхнего уровней соответствующих сигналов и обрабатываются так, что если выходное напряжение в допустимых пределах, то управляющий сигнал на регулируемый элемент не формируется. Если выходное напряжение сети выходит за допустимое верхнее значение кратковременно, то формируется управляющий сигнал на регулируемый элемент с целью его стабилизации. Если же выходное напряжение длительно превышает верхнее или нижнее допустимые значения, то по истечении заданного предельного временного интервала происходит отключение нагрузки от сети. 3 ил.

 

Изобретение относится к области автоматической стабилизации и защиты нагрузки в цепях постоянного и переменного тока.

Известен компенсационный способ стабилизации выходного напряжения постоянного тока с непрерывным и импульсным режимами управления сопротивлением регулируемого элемента [1]. Регулируемым элементом здесь является транзистор, включенный в выходную цепь эммитер-коллекторным переходом. Изменение активного сопротивления R_ЭК, а значит и изменение величины выходного напряжения, происходит за счет изменения величины напряжения на базе транзистора U_Б. Напряжение U_Б зависит от величины отклонения выходного напряжения от его допустимых значений, причем, в зависимости от схемных решений, напряжение U_Б может изменяться как непрерывно, так и дискретно.

Недостатками данного способа является то, что:

1. В устройствах по данному способу не ограничивается время нахождения выходного напряжения вне его допустимых значений.

2. В устройствах по данному способу не отключается нагрузка от источника, если выходное напряжение длительное время отличается от его допустимых значений.

3. В подобных устройствах отклонения выходного напряжения ниже нижнего допустимого значения вообще не фиксируется.

Известен также способ стабилизации выходного напряжения переменного тока [1]. Устройства по данному способу предполагают наличие в них дросселей со стальными сердечниками, а регулирование величины выходного напряжения осуществляется путем изменения подмагничивания сердечника дросселя.

Недостатками данного способа является то, что:

1. Изменение подмагничивания сердечника дросселя приводит к искажениям формы кривой выходного напряжения, что может негативно сказаться на работе электроприемников.

2. В устройствах по данному способу также не ограничивается время нахождения выходного напряжения вне его допустимых значений.

Нахождение напряжения сети вне допустимых значений длительное время свидетельствует об аварийных ситуациях в сети и поэтому стабилизация напряжения на нагрузке в этих условиях нецелеобразна.

Предлагаемый способ направлен на устранение недостатков известных способов путем:

- регулирования напряжения как постоянного, так и переменного тока изменением только активного сопротивления регулируемого элемента;

- ограничения времени нахождения выходного напряжения вне его допустимых значений отключением нагрузки от источника, если выходное напряжение отличается от его допустимых значений дольше заданного интервала времени.

Рассмотрим, каким образом достигается поставленная цель и существо предлагаемого способа.

Выходное напряжение сети как постоянного, так и переменного тока управляется путем изменения активного сопротивления регулируемого элемента. Выходное напряжение соответствующим образом сравнивается с нижним и верхним допустимыми значениями. Результаты сравнения представляются в виде низкого или высокого уровней соответствующих сигналов и обрабатываются так, что, если выходное напряжение в допустимой зоне, то управляющий сигнал на регулируемый элемент не формируется. Если выходное напряжение выходит за допустимое верхнее значение кратковременно, то формируется управляющий сигнал на регулируемый элемент с целью его стабилизации. Если же выходное напряжение длительно превышает верхнее или нижнее допустимые значения, то по истечении заданного предельного временного интервала происходит отключение нагрузки от сети.

Структурная схема устройства, функционирующего по предлагаемому способу, представлена на фиг.1. На фиг.2 представлены примеры возможных отклонений выходного напряжения в сетях постоянного тока. На фиг.3 представлены примеры возможных отклонений выходного напряжения в сетях переменного тока. На фиг.2 и 3 обозначено: U_в, U_н - соответственно верхнее и нижнее допустимые значения; τ_к, τ_д - соответственно кратковременные и длительные отклонения выходного напряжения от номинального U_ном.

Для переменного напряжения τ_к - это немногочисленные выходы U_вых за допустимые значения, а τ_д - многократные выходы U_вых за допустимые значения. Отклонения выходного напряжения от допустимых значений несложно преобразовать в напряжение постоянного тока длительностью τ_к или τ_д для удобства в дальнейших преобразованиях.

Эпюры напряжений на фиг.2 и 3 поясняют принцип работы устройства по предлагаемому способу.

На структурной схеме обозначено: 1 - кнопка Вкл.; 2 - регулируемый элемент; 3 - пороговый элемент нижнего допустимого значения U_н; 4 - устройство контроля верхнего допустимого уровня U_в; 5 - детектор допустимых значений; 6 - схема выделения переднего фронта; 7 - таймер; 8 - логический элемент "Сложение по модулю 2"; 9 - инвертор; 10 - усилитель; 11 - реле К1; 12 - контакт К1.1 реле K1.

Устройство работает следующим образом.

При нажатии кнопки Вкл. напряжение сети U_вх через регулируемый элемент (РЭ) прикладывается к нагрузке.

Пусть выходное напряжение U_вых будет номинальным U_ном, т.е. находится внутри заданных допустимых (верхнего U_в и нижнего U_н) значений (см. фиг.2 и 3). При этом на выходе порогового элемента нижнего допустимого значения (ПЭНДЗ) и на первом выходе устройства контроля верхнего допустимого значения (УКВДЗ) будут нули. Пороговый элемент имеет релейную выходную характеристику, а устройство контроля имеет линейную выходную характеристику (см. фиг.1). На втором выходе УКВДЗ также будет нулевой сигнал и активное сопротивление РЭ изменяться не будет. Если на двух входах детектора допустимых значений будут нули, то и на его выходе также будет "0". Схема выделения переднего фронта (СВПФ) не запустится и на выходе таймера также будет "0". Таким образом, на входах x₁ и х₂ элемента "Сложения по модулю 2" будет комбинация 00. Таблица входов/выходов данного элемента М2 имеет вид:

x1	x2	y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

В результате этого на выходе инвертора И-НЕ будет "1", которая усиливается усилителем и включает реле К1. Реле К1 соответствующим образом самоблокируется и своими контактами К 1.1 шунтирует кнопку Вкл. Таким образом, напряжение сети при отпущенной кнопке Вкл. будет прикладываться к нагрузке через замкнутые контакты К1.1.

Пусть выходное напряжение U_вых кратковременно (τ_к) становится больше верхнего допустимого значения U_в (например, см. фиг.2). При этом на выходе порогового элемента 3 будет "ноль" (а=0), на выходе устройства контроля 4 будет "единица" (в=1) и на втором управляющем выходе устройства контроля 4 появится напряжение, которое изменяется линейно и прикладывается к РЭ 2 для изменения его активного сопротивления с целью уменьшения U_вых минимум до значения U_в. Детектор допустимых значений 5 работает по следующей логике:

a	в	z
0	1	1

Таймер настроен так, что на его выходе (х₂) исчезает единичный сигнал после заданного времени (τ_зад). Интервал τ_зад - это время, после которого должна отключиться сеть от нагрузки (разомкнуться контакт К1.1), если U_вых не вошло в допустимые пределы.

Единичный сигнал z с выхода детектора 5 прикладывается к входу "Сброс" таймера. По этому сигналу таймер готов к запуску. Этот же сигнал z включает схему выделения переднего фронта 6, которая запускает таймер. Таким образом, на входах x₁ и х₂ логического элемента 8 будут "единицы", а выходной сигнал у будет нулевым. Этот нулевой сигнал инвертируется элементом 9, усиливается усилителем 10 и, в итоге, напряжение подается на реле К1. Это означает, что реле остается включенным, контакт К1.1 не размыкается и нагрузка от сети не отключается.

Пусть выходное напряжение U_вых кратковременно (τ_k) становится меньше нижнего допустимого уровня U_н (см. фиг.2). При этом на входах детектора 5 сигнал а=1, сигнал в=0. На регулирующий элемент 2 управляющий сигнал не поступает; на выходе z детектора 5 будет "единица". Далее устройство работает аналогично, т.е. реле К1 остается под напряжением, контакт К1.1 не отключает нагрузку от сети.

Пусть выходное напряжение длительно (τ_д) выходит за пределы верхнего значения U_в (см. фиг 2). При этом сигналы а=0, в=1, z=1. Ha втором управляющем выходе устройства контроля 4 аналогично появится напряжение, которое изменяется линейно и прикладывается к регулируемому элементу 2 для уменьшения U_вых. Если напряжение U_вых не уменьшается до U_в, то через заданное время τ_зад (причем, τ_зад<τ_д) сигнал x₂ на выходе таймера станет нулевым, т.е. таблица входов/выходов элемента 8 будет следующей:

x1	x2	y
1	0	1

Единичный сигнал у инвертируется в "ноль" и реле К1 выключается, контакты K.1.1 размыкаются, тем самым отключая нагрузку от сети.

Если U_вых длительно становится меньше нижнего допустимого значения U_н, то устройство работает аналогично описанному выше, т.е. реле К1 обесточивается, контакт реле К1.1 размыкается и нагрузка отключается от сети.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет уменьшать кратковременные выходы напряжения сети за допустимое верхнее значение и полностью отключать нагрузку от сети при длительных выходах напряжения сети за допустимые верхнее или нижнее значения. Это позволит улучшить работоспособность нагрузки, причем в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Источники информации

Г.Н.Сизых. Электропитание устройств связи. - М.: Радио и связь, 1982, с.150-158.

Способ защиты нагрузки от аномальных напряжений в сети, использующий управление активным сопротивлением регулируемого элемента, отличающийся тем, что, с целью уменьшения отрицательного влияния на работоспособность нагрузки кратковременных выходов напряжения сети за допустимое верхнее значение и отключения нагрузки при длительных выходах напряжения за допустимое верхнее или нижнее значение, напряжение сети сравнивается с нижним и верхним допустимыми значениями, причем с верхним допустимым значением сравнение осуществляется путем ограничения снизу и ограниченным снизу сигналом управляют активным сопротивлением регулируемого элемента для изменения напряжения на нагрузке, а выходные сигналы результатов сравнения обрабатывают так, что получают сигнал низкого уровня при напряжении сети в допустимых значениях и высокого уровня в противном случае, причем этот сигнал передним фронтом определяет начало формирования интервала выдержки отключения сети, большего, чем интервал допустимых по длительности выбросов сети.