Способ коммутации и защиты электрических линий потребителей электроэнергии и устройство для его осуществления

Изобретение относится к системам распределения электроэнергии летательных аппаратов, а именно к схемам электронной коммутации электрических линий потребителей электроэнергии. Технический результат заключается в повышении качества электроэнергии. Способ основан на управлении исполнительным элементом по линейным законам:

,

исключающим отклонение напряжения питания от заданного значения в системах электроснабжения летательных аппаратов при включении и отключении нагрузки в системах распределения электроэнергии. В устройстве коммутации и защиты электрических линий потребителей электроэнергии в качестве устройства управления применен дешифратор, а устройство формирования сигнала управления выполнено на основе генератора линейно изменяющегося напряжения, в электрическую схему включены исполнительный элемент, чувствительный элемент, устройства сравнения, дифференциально-функциональный усилитель, ключ напряжения, дифференцирующее устройство, микроконтроллер мультиплексной связи. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к системам распределения электроэнергии летательных аппаратов, а именно в схемах электронной коммутации электрических линий потребителей электроэнергии без размыкания и замыкания контактов, осуществляющих устранение мешающих напряжений.

Известен способ контроля и защиты электрических линий, в котором коммутация осуществляется дискретным прерыванием электрического контакта, при этом выделяют разность превышения над номинальным значением и сравнивают с заданным значением отклонения, при этом разность превышения тока получают путем дифференциации текущего значения тока с его номинальным значением, при этом при определенной величине разности ΔU(t)×K производят токоограничение, а при определенной величине скорости изменения разности (ΔU(t)×K)^/ прерывают дискретно электрический контакт [1].

Известно устройство для контроля и защиты электрических линий, которое состоит из исполнительного и чувствительного элементов, в котором исполнительный элемент выполнен на полевом транзисторе, чувствительный элемент выполнен на низкоомном сопротивлении, кроме того, в устройство включены микроконтроллер мультиплексной связи, устройства сравнения, устройство управления, дифференциально-функциональный усилитель, устройство формирования сигнала управления, ключ напряжения, дифференцирующее устройство [1].

Недостатками такого способа коммутации и устройства является дискретное изменении проводимости полевого транзистора. Рассматривая данный способ коммутации и устройство с точки зрения теории автоматического управления, можно сделать вывод, что способ коммутации, применяемый в системах распределения электроэнергии летательных аппаратов, по отношению к системе генерирования электрической энергии является ступенчатым возмущением. В зависимости от величины коммутируемых токов нагрузки и состояния насыщения магнитной системы генераторов происходят провалы или выбросы напряжения питания при включении и отключении электрических линий потребителей электроэнергии. Задача поддержания напряжения питания на заданном уровне возлагается на регуляторы напряжения, которые осуществляют регулирование по отклонению напряжения от заданного значения при изменении тока нагрузки или частоты вращения привода генератора, а не по возмущению, то есть по току нагрузки или по отклонению от заданной частоты вращения привода генератора.

Технической задачей изобретения является устранение мешающих напряжений (повышение качества электроэнергии) при электронной коммутации электрических линий потребителей электроэнергии без размыкания и замыкания контактов.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе коммутации и защиты электрических линий потребителей электроэнергии, заключающемся в управлении исполнительным элементом, причем в режиме защиты, выделяют разность превышения над номинальным значением и сравнивают с заданным значением отклонения, при этом разность превышения тока получают путем дифференциации текущего значения тока с его номинальным значением, при этом при определенной величине разности ΔU(t)×K производят токоограничение, а при определенной величине скорости изменения разности (ΔU(t)×K)^/ осуществляют электронное управление исполнительным элементом по сигналу:

в режиме защиты - по линейному закону:

;

в режиме включения по линейному закону:

а в режиме выключения - по линейному закону

исключающим отклонения напряжения питания от заданного значения в системах электроснабжения летательных аппаратов при включении и отключении нагрузки в системах распределения электроэнергии,

где: U_упр(t) - напряжения для управления состоянием элемента, В;

t_вкл, t_выкл - время включения и выключения исполнительного элемента, с;

U_ЗИ(I_НОМ) - напряжение, прикладываемое к затвору - истоку исполнительного

элемента для пропускания номинального тока потребителя электроэнергии, В;

- коэффициент пропорциональности,

- коэффициент пропорциональности,

Способ реализуется в устройстве коммутации и зашиты электрических линий потребителей электроэнергии, содержащем устройство управления, устройство формирования сигнала управления, исполнительный элемент, чувствительный элемент, устройства сравнения, дифференциально-функциональный усилитель, ключ напряжения, дифференцирующее устройство, микроконтроллер мультиплексной связи, в качестве устройства управления применен дешифратор, который преобразует двухразрядный двоичный код, подаваемый на вход дешифратора, в напряжение логического уровня на выходе дешифратора, а устройство формирования сигнала управления выполнено на основе генератора линейно изменяющегося напряжения, при этом микроконтроллер мультиплексной связи выдает на устройство управления сигнал "включение", устройство управления выдает на устройство формирования сигнала управления сигнал U_вкл, по которому устройство формирования сигнала управления формирует сигнал U_упр(t) на включение исполнительного элемента по линейному закону

а при выдаче микроконтроллером мультиплексной связи на устройство управления сигнала "выключение" или устройством сравнения сигнала "короткое замыкание" устройство управления выдает на устройство формирования сигнала управления сигнал U_выкл, по которому устройство формирования сигнала управления формирует сигнал U_упр(t) Ha выключение исполнительного элемента по линейному закону

В сравнении с прототипом заявляемые способ и устройство коммутации и защиты электрических линий потребителей электроэнергии без размыкания и замыкания контактов имеет следующие существенные отличительные признаки.

По способу - электронное управление исполнительным элементом по линейным законам в зависимости от вида сигнала управления.

По устройству - в качестве устройства управления применен дешифратор, а в качестве устройства формирования сигнала управления - генератор линейно изменяющегося напряжения и новые связи.

Техническим результатом изобретения является создание устройства электронной коммутаций и защиты электрических линий потребителей электроэнергии без размыкания и замыкания контактов, позволяющего в зависимости от вида сигнала управления формировать линейные законы:

для управления исполнительным элементом, исключающим отклонения напряжения питания от заданного значения в системах электроснабжения летательных аппаратов при включении и отключении нагрузки в системах распределения электроэнергии, что приводит к инвариантности систем электроснабжения.

На чертеже представлена структурная схема устройства коммутации и защиты электрических линий потребителей электроэнергии.

Устройство коммутации и защиты электрических линий потребителей электроэнергии в мультиплексных системах распределения электроэнергии представляет собой двухконтурное автоматическое устройство.

В качестве устройства управления применен дешифратор 3, а в качестве устройства формирования сигнала управления - генератор линейно изменяющегося напряжения 5.

Первый контур управления представляет собой регулятор тока,

включающий:

- дифференциально - функциональный усилитель 8, на котором происходит сравнение напряжения U_дт(t), прямо пропорционального текущему значению тока I_т потребителя электрической энергии и напряжения U_опор2 соответствующего величине номинального тока потребителя;

- устройство сравнения 7, на котором задается предел отклонения напряжения U_опор3 от U_опор2 соответствующий величине номинального тока потребителя;

- ключ напряжении 6, передающий сигнал ΔU(t)×K с дифференциально -функционального усилителя 8 на устройство формирования сигнала управления 5;

Второй контур представляет собой контур автоматической защиты в режиме короткого замыкания в электрической линии или потребителе, включающий:

- дифференциально - функциональный усилитель 8, на котором происходит сравнение напряжения U_дт(t), прямо пропорционального текущему значению тока I_т потребителя электрической энергии и напряжения U_опор2 соответствующего величине номинального тока потребителя;

- дифференцирующее устройство 4, на котором определяется скорость изменения сигнала (ΔU(t)×K)^/, U_вых(t);

- устройство сравнения 2, на котором задается предел скорости изменения напряжения U_опор1' соответствующий величине текущей скорости тока I_т потребителя электрической энергии. Устройство сравнения 2 выдает сигнал короткого замыкания на устройство управления 3;

- устройство управления 3 представляет собой дешифратор, который преобразует двухразрядный двоичный код, подаваемый на вход дешифратора, в напряжение логического уровня на выходе дешифратора, десятичный номер которого соответствует двоичному коду (таблица), и выдает сигнал U_вкл=1 на устройство формирования сигнала управления 5 для формирования сигнала U_упр (t) соответствующего открытому состоянию исполнительного устройства 9 для пропускания номинального значения тока потребителя при наличии сигнала "включения" в командном слове и выдает сигнал U_выкл=l при наличии сигнала "выключения" в командном слове или сигнала "короткое замыкание" от устройства сравнения 2 на устройство формирования сигнала управления 5 для формирования сигнала U_упр (t), соответствующего закрытому состоянию исполнительного устройства 9.

Связь устройства коммутации и защиты электрических линий потребителей электроэнергии в мультиплексных системах распределения электроэнергии с центральным устройством управления осуществляется по мультиплексной линии связи через микроконтроллер мультиплексной связи 1.

В статическом состоянии на устройство коммутации и защиты электрических линий потребителей электроэнергии подается только напряжение питания. При отсутствии сигнала на "включение" по мультиплексной линии связи от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 не выдает на устройство управления 3 сигнал "включение". При отсутствии сигнала "включение" устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_вкл=0. Устройство формирования сигнала управления 5 формирует сигнал U_упр=0 - исполнительный элемент 9 закрыт (имеет максимальное сопротивление). При этом ток через исполнительный элемент 9, чувствительный элемент 10 и потребитель электрической энергии 11 не протекает, I_т=0.

Устройство (чертеж) работает следующим образом.

При получении командного слова "включение" по мультиплексной линии связи от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 выдает на устройство управления 3 сигнала "включение", и при отсутствии сигнала блокировки с устройства сравнения 2 устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_вкл,

Устройство формирования сигнала управления 5 формирует сигнал

на включение исполнительного элемента 9 до величины тока, равного номинальному значению. При этом ΔU(t)×K=0. При протекании тока через чувствительный элемент 10 с него снимается сигнал U_дт, пропорциональный протекающему току, который подается на дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит определение разности между сигналом U_дт с чувствительного элемента 10 и опорного сигнала, пропорционального номинальному значению тока U_2опор=U(I_HOM)

При изменении напряжения питания U_пит на исполнительном элементе 9 стоковая характеристика исполнительного элемента 9 меняет свое положение. При этом меняется крутизна стоковозатворной характеристики. Для компенсации изменения крутизны стоковозатворной характеристики при изменении напряжения питания U_пит на исполнительном элементе 9 на дифференциально - функциональном усилителе 8 производится коррекция разностного сигнала на коэффициент К:

где: К=а-b×U_пит

a, b - коэффициенты полиномиальной регрессии стоковозатворной характеристики исполнительного элемента 9 при изменении напряжения питания U_пит. Разностный сигнал ΔU(t)×K с дифференциально-функционального усилителя 8 поступает одновременно на ключ напряжения 6 и устройство сравнения 7. На устройстве сравнения 7 разностный сигнал ΔU(t)×K сравнивается с сигналом U_опор3, который пропорционален допустимому отклонению текущего тока от номинального значения. При превышении сигнала ΔU(t)×K над сигналом U_опор3 с устройства сравнения 7 выдается сигнал на включение ключа напряжения 6 и разностный сигнал ΔU(t)×K подается на устройство формирования сигнала управления 5. На устройстве формирования сигнала управления 5 происходит коррекция сигнала U_упр:

Скорректированный сигнал U_упр(t) с устройства формирования сигнала управления 5 подается на исполнительное устройство 9, которое, меняя свое сопротивление, меняет значение текущего тока через чувствительный элемент 10 и потребитель электроэнергии 11. Таким образом, значение текущего тока через исполнительный элемент 9, чувствительный элемент 10 и потребитель электроэнергии 11 будет определяться допустимым отклонением текущего тока от номинального значения U_опор3.

При получении командного слова "выключение" по мультиплексной линии связи от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 выдает на устройство управления 3 сигнал "выключение", устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_выкл,

устройство формирования сигнала управления 5 формирует сигнал

на выключение исполнительного элемента 9, исполнительный элемент 9 закрывается.

Для определения режима короткого замыкания и защиты системы электроснабжения от перегрузок разностный сигнал ΔU(t)×K подается на дифференцирующее устройство 4. На выходе дифференцирующего устройства 4 получаем сигнал, пропорциональный скорости изменения разностного сигнала U_вых(t)=(ΔU×K)^/. Данный сигнал U_вых(t) поступает с дифференцирующего устройства 4 на устройство сравнения 2, сравнивается с сигналом U_опро1, который пропорционален значению тока короткого замыкания. При превышении сигнала U_вых(t) над сигналом U_опор1 с устройства сравнения 2 выдается сигнал короткое замыкание (КЗ) на устройство управления 3, который в свою очередь снимает сигнал U_вкл=1 и выдает сигнал U_выкл=1 на устройство формирования сигнала управления 5. При этом сигнал управления, передаваемый с устройства формирования сигнала управления 5 на исполнительный элемент 9, равен:

исполнительный элемент 9 закрывается. При снятии сигнала U_вкл с устройства управления 3 выдается сигнал ответное слово "отказ" через микроконтроллер мультиплексной связи 1 по МЛС в цифровое устройство управления системы электроснабжения.

Источники информации.

1. Патент Российской Федерации на изобретение №2303848, кл. Н02Н 3/08, опубл. 27.07.2007 г. Бюл. №21 (прототип).

1. Способ коммутации и защиты электрических линий потребителей электроэнергии, заключающийся в управлении исполнительным элементом, причем в режиме защиты выделяется разность превышения над номинальным значением и сравнивается с заданным значением отклонения, при этом разность превышения тока получается путем дифференциации текущего значения тока с его номинальным значением, при этом при определенной величине разности ΔU(t)·K производится токоограничение, а при определенной величине скорости изменения разности (ΔU(t)·K)^/ прерывают электрический контакт, отличающийся тем, что осуществляют электронное управление исполнительным элементом по сигналу:
в режиме защиты - по линейному закону

в режиме включения - по линейному закону:

а в режиме выключения - по линейному закону

исключающие отклонение напряжения питания от заданного значения в системах электроснабжения летательных аппаратов при включении и отключении нагрузки в системах распределения электроэнергии,
где U_упр(t) - напряжения для управления состоянием элемента, В;
t_вкл, t_выкл - время включения и выключения исполнительного элемента, с;
U_ЗИ(I_HOM) - напряжение, прикладываемое к затвору - истоку исполнительного элемента для пропускания номинального тока потребителя электроэнергии, В;
-
коэффициент пропорциональности ^B/_c;
-
коэффициент пропорциональности, ^B/_c.

2. Устройство коммутации и защиты электрических линий потребителей электроэнергии, содержащее устройство управления, устройство формирования сигнала управления, исполнительный элемент, чувствительный элемент, устройства сравнения, дифференциально-функциональный усилитель, ключ напряжения, дифференцирующее устройство, микроконтроллер мультиплексной связи, отличающееся тем, что в качестве устройства управления применен дешифратор, который преобразует двухразрядный двоичный код, подаваемый на вход дешифратора, в напряжение логического уровня на выходе дешифратора, а устройство формирования сигнала управления выполнено на основе генератора линейно-изменяющегося напряжения, при этом микроконтроллер мультиплексной связи выдает на устройство управления сигнал "включение", устройство управления выдает на устройство формирования сигнала управления сигнал U_вкл, по которому устройство формирования сигнала управления формирует сигнал U_упр(t) на включение исполнительного элемента по линейному закону

а при выдаче микроконтроллером мультиплексной связи на устройство управления сигнала "выключение" или устройством сравнения сигнала "короткое замыкание" устройство управления выдает на устройство формирования сигнала управления сигнал U_выкл, по которому устройство формирования сигнала управления формирует сигнал U_упр (t) на выключение исполнительного элемента по линейному закону