Пристрій для захисту електроприймачів від неприпустимих значень напруги в електричній мережі

1. Пристрій для захисту електроприймачів від неприпустимих значень напруги в електричній мережі, який містить електромагнітний виконавчий елемент, що має обмотку керування і нормально відкритий робочий контакт, увімкнений в електричне коло, в якому комутується навантаження, випрямляч напруги мережі, подільник напруги, перший компаратор з формувачем порога нижнього рівня і другий компаратор з формувачем порога верхнього рівня, вхід випрямляча напруги мережі є входом пристрою, а його вихід через подільник напруги підключений до входів компараторів, який відрізняє ться тим, що введені перший і другий C2 2 (19) 1 3 83558 ської Федерації №2136097, МПК Н 02 Н 3/20, Н 02 Н 3/24, опубл. 1999р.]. Даний пристрій забезпечує вимикання споживача від мережі при зміні напруги нижче від 170В і вище від 250В і вмикання споживача із затримкою 5 хвилин при поновленні напруги мережі вище від 170В і нижче від 250В. Недоліком відомого пристрою є невисока надійність, обумовлена використанням силового електронного ключа в якості виконавчого елемента, що може призвести до виходу з ладу пристрою під час коротких замикань на стороні навантаження. При короткому замиканні в колі навантаження, коли напруга сягає нижче від 170В і електронний ключ починає вимикатися, стає неминучим його пробій некерованими струмами, які перевищують номінальний струм елементів електронного ключа в десятки разів. Струми такої величини прилад здатен витримувати протягом менш ніж 10мс, тоді як час спрацьовування автоматичних вимикачів є набагато більшим. Негативний вплив на надійність відомого пристрою справляє також наявність гасильного конденсатора, через який постійно тече змінний струм і діє імпульсна перенапруга мережі, що може спричинити пробій конденсатора внаслідок утоми діелектрика і зниження ємності конденсатора. За прототип винаходу обрано пристрій для захисту електроприймачів від аварійних значень напруги в електричній мережі, який містить вузол комутації (електромагнітне реле) і увімкнені в коло електричної мережі, паралельне колу, в якому комутується навантаження, випрямляч напруги мережі, перший компаратор з формувачем порога нижнього рівня, другий компаратор з формувачем порога верхнього рівня і мікропроцесор, вихід якого з’єднаний з входом вузла комутації. Входи компараторів через подільник напруги підключені до виходу випрямляча напруги мережі, вхід якого є входом пристрою [патент Російської Федерації №2262113, кл. G 01 R 19/00, H 02 H 3/20, опубл. 2005р.]. В прототипі програмований мікропроцесор аналізує сигнали, що надходять на його вхід з виходів компараторів, увімкнених перед мікропроцесором паралельно один одному в те саме електричне коло, що і мікропроцесор. На входи компараторів подається випрямлена і зменшена по амплітуді напруга електричної мережі, причому на вхід одного з компараторів подається електрична напруга, величиною якої задається поріг верхнього гранично припустимого рівня, а на вхід другого компаратора – електрична напруга, величиною якої задається поріг нижнього гранично припустимого рівня напруг, що подаються на навантаження. За результатами аналізу сигналів від компараторів мікропроцесор визначає якість напруги електричної мережі і формує керуючі сигнали на вимикання або увімкнення навантаження до електричної мережі в моменти часу, що визначаються програмою, записаною в пам’яті мікропроцесора. Використання мікропроцесора в якості керуючого елемента пристрою дозволяє досягти високої гнучкості в аналізі параметрів вхідної напруги електричної мережі й забезпечити високий рівень за 4 вадостійкості пристрою до мережних імпульсних перешкод. Основним недоліком прототипу є недостатня експлуатаційна надійність пристрою під час коротких замикань в колі навантаження. Якщо під час короткого замикання в навантаженні відбувається зниження напруги мережі до порога нижнього гранично припустимого рівня, контактор одразу починає розмикати коло навантаження. Це призводить до підгоряння його контактів, час розмикання котрих є значно меншим, ніж час спрацьовування автоматичних вимикачів, установлених в колі живлення навантаження. В основу винаходу поставлено завдання удосконалення пристрою для захисту електроприймачів від неприпустимих значень напруги в електричній мережі шляхом забезпечення надійної роботи електромагнітного виконавчого елемента в режимі короткого замикання на стороні навантаження, в результаті чого було б підвищено експлуатаційну надійность пристрою. Для вирішення поставленого завдання в пристрій для захисту електроприймачів від неприпустимих значень напруги в електричній мережі, який містить електромагнітний виконавчий елемент, що має обмотку керування і нормально відкритий робочий контакт, увімкнений в електричне коло, в якому комутується навантаження, випрямляч напруги мережі, подільник напруги, перший компаратор з формувачем порогу нижнього рівня і другий компаратор з формувачем прога верхнього рівня, при цьому вхід випрямляча напруги мережі є входом пристрою, а його вихід через подільник напруги підключений до входів компараторів, згідно з винаходом, введені перший і другий стабілізатори напруги, перший і другий електронні ключі і вторинне джерело напруги, а в якості електромагнітного виконавчого елемента використаний контактор, що має нормально відкритий контрольний контакт. Вихід випрямляча" напруги мережі через перший стабілізатор напруги з’єднаний з першим входом першого електронного ключа, який через вторинне джерело напруги з’єднаний з першим входом другого стабілізатора напруги, другий вхід якого увімкнений в коло контрольного контакту контактора. Обмотка керування контактора з’єднана з виходом другого електронного ключа, другі входи першого і другого електронних ключів з’єднані з виходами першого і другого компараторів відповідно. Вторинне джерело напруги може містити три конденсатори, резистор, стабілітрон і діод, причому перші виводи першого і другого конденсаторів, перший вивід резистора і анод діода з’єднані з катодом стабілітрона, анод якого з’єднаний з другими виводами першого і другого конденсаторів, першим виводом третього конденсатора і спільною точкою пристрою, а другі виводи першого конденсатора і резистора з’єднані з катодом діода. У пропонованому пристрої для захисту електроприймачів від неприпустимих значень напруги в електричній мережі забезпечено надійну роботу пристрою в режимі короткого замикання на стороні навантаження за рахунок використання в якості електромагнітного виконавчого елемента контак 5 83558 тора, який, окрім робочого контакту, увімкненого в коло, в якому комутується навантаження, оснащений контрольним контактом, і залучення до кола, паралельного колу, в якому комутується навантаження, вторинного джерела напруги, двох стабілізаторів напруги і дво х електронних ключів. Завдяки цьому під час короткого замикання, коли струм в колі навантаження у десятки разів перевищує номінальний струм контактора, робочий контакт контактора надійно утримується в закритому стані протягом часу, що є достатнім для спрацьовування засобів автоматичного захисту навантаження від струму короткого замикання. Розмикається робочий контакт контактора вже у знеструмленому колі, що запобігає його підгорянню і передчасному руйнуванню. В результаті надійної роботи контактора в аварійному режимі навантаження підвищується експлуатаційна надійність пропонованого пристрою в цілому. Суть винаходу пояснюється кресленнями. На Фіг.1 зображено функціональну схему пристрою для захисту електроприймачів від неприпустимих значень напруги в електричній мережі. На Фіг.2 подано електричну принципову схему вторинного джерела напруги. Пристрій для захисту електроприймачів від неприпустимих значень напруги в електричній мережі (див. Фіг.1) містить електромагнітний виконавчий елемент - контактор 1, який має обмотку 2 керування, нормально відкритий робочий контакт 3, увімкнений в електричне коло, в якому комутується навантаження (на кресленні не подане), нормально відкритий контрольний контакт 4, випрямляч 5 напруги мережі, подільник 6 напруги, перший компаратор 7 з формувачем порогу нижнього рівня, другий компаратор 8 з формувачем порогу верхнього рівня, перший стабілізатор 9 напруги, др угий стабілізатор 10 напруги, перший електронний ключ 11, другий електронний ключ 12 і вторинне джерело 13 напруги. Входи компараторів 7 і 8 через подільник 6 напруги підключені до виходу випрямляча 5, вхід якого є входом пристрою. Вихід випрямляча 5 через перший стабілізатор 9 напруги з’єднаний з першим входом електронного ключа 11, який через вторинне джерело 13 напруги з’єднаний з першим входом стабілізатора 10 напруги, другий вхід якого увімкнений в коло контрольного контакту 4 контактора 1. Обмотка 2 керування контактора 1 з’єднана з виходом електронного ключа 12. Другі входи електронних ключів 11 і 12 з’єднані з виходами компараторів 7 і 8 відповідно. У конкретному прикладі виконання пристрою вторинне джерело 13 напруги може містити перший, другий і третій конденсатори 14, 15 і 16 відповідно, резистор 17, стабілітрон 18 і діод 19. Перші виводи конденсаторів 14 і 15, перший вивід резистора 17 і анод діода 19 з’єднані з катодом стабілітрона 18, анод якого з’єднаний з другими виводами конденсаторів 14 і 15, першим виводом конденсатора 16 і спільною точкою пристрою, а другі виводи конденсатора 16 і резистора 17 з’єднані з катодом діода 19 (див. Фіг.2). До складу пропонованого пристрою входять стандартні елементи. 6 В якості контактора 1 може бути використаний апарат на номінальну напругу обмотки 27 В з нормально відкритими робочим і контрольним контактами, наприклад, будь-який контактор з ряду КНЕ 120, КНЕ 220 чи КНЕ 230. Випрямлячем 5 може бути, наприклад, випрямний місток на діодах 1N4007, до кола якого можуть бути залучені згладжувальний конденсатор, наприклад, К 73-17, обмежувач постійної напруги на рівні 300В на базі стандартних стабілітронів і підсилювача струму, наприклад, на польовому транзисторі IRFBF 20. Як компаратори 7 і 8 можуть бути використані, наприклад, набори регульованих стабілітронів TL431 в стандартному з’єднанні з резисторними подільниками 6 напруги. В якості стабілізатора 9, що забезпечує ви хідну напругу 27В, яка є необхідною для увімкнення контактора 1 при змінах напруги в діапазоні від 50 до 400В, може бути використаний, наприклад, зворотно-ходовий імпульсний знижувальний стабілізатор напруги (50-300)/27В, виконаний на мікросхемі LNK306 в стандартному з’єднанні з дроселем і швидкодійним діодом SF 18. В якості стабілізатора 10, що забезпечує вихідну напругу 9В, яка є необхідною для утримання контактора 1 в робочому стані, може бути використаний, наприклад, зворотно-ходовий імпульсний знижувальний стабілізатор напруги (50-300)/27В, виконаний по стандартній схемі, в якій в якості ключового елемента використано транзистор КТ 639Е, в якості накопичувана енергії - дросель 100мГ і в якості розрядника - діод Шотки 1N5D19. Стабілізатор 10 працює в режимі 27/9В при замкненому контрольному контакті 4 контактора 1, а при розімкненому контакті 4 - в режимі повторювана напруги. Прикладом виконання електронних ключів 11 і 12 можуть бути транзистори IRLL014N в стандартному з’єднанні за схемою емітерного повторювача і RC-колами, які мають з постійну часу 6-10мс для забезпечення затримки увімкнення. Вторинне джерело 13 напруги призначене для накопичення енергії, необхідної для утримання робочого контакту 3 контактора 1 в закритому стані протягом не менш ніж 1с в разі зниження напруги мережі нижче від порогу нижнього рівня або при її повному зникненні, чим забезпечується захист контакту 3 контактора 1 від комутації струмів короткого замикання в колі навантаження. Конденсатори 14 і 15, що входять до складу вторинного джерела 13 напруги, наприклад, електролітичні конденсатори великої ємності виробництва німецької фірми EPCOS Long Life, слугують для накопичування електричної енергії, а керамічний конденсатор 16 разом із резистором 17 і стабілітроном 18 здійснюють захист конденсаторів 14 і 15 від пульсуючої складової напруги 27В частотою 100кГц, на якій працює стабілізатор 9. Діод 19 відкривається, коли напруга на вході вторинного джерела 13 стає нижчою від напруги на конденсаторах 14 і 15, яка становить 25В. Пристрій для захисту електроприймачів від неприпустимих значень напруги в електричній мережі працює так. 7 83558 У нормальному робочому режимі (напруга електричної мережі знаходиться в межах припустимих значень, тобто в діапазоні не менш ніж 170В і не більш ніж 250В) з виходу випрямляча 5 випрямлена напруга живлення подається на вхід стабілізатора 9 і, через подільник напруги 6, - на входи компараторів 7 і 8. Напруга 27В з виходу стабілізатора 9 подається на перший вхід електронного ключа 11. При величині вхідної напруги вищій за величину уставки компаратора 7, останній формує сигнал на відкриття електронного ключа 11, через який, з витримкою часу 6-10с, напруга 27В подається на вхід вторинного джерела 13 напруги. Конденсатори 14 і 15 заряджаються, внаслідок чого напруга на виході вторинного джерела 13 напруги збільшується і через стабілізатор 10 напруги, котрий при відкритому контрольному контакті 4 контактора 1 працює в режимі повторювача напруги, подається на перший вхід електронного ключа 12. Якщо напруга мережі не перевищує 260В, то компаратором 8 формується сигнал на відкриття електронного ключа 12. Електронний ключ 12 з витримкою часу 6-8с відкривається і напруга з виходу стабілізатора 10 подається на обмотку 2 керування контактора 1. Коли вищезгадана напруга досягає величини 22-24В, контактор 1 спрацьовує і своїм робочим контактом 3 підключає коло навантаження (на кресленні не показане) до мережі. Замикання контрольного контакту 4 контактора 1 переводить стабілізатор 10 напруги в режим стабілізатора напруги 27/9В. Напруга 9В є достатньою для надійного утримання робочого контакту 3 контактора 1 в замкненому стані і забезпечення його економічної роботи з протіканням через обмотку 2 струму величиною не більш ніж 0,1А. У разі неприпустимого перевищення порогу верхнього рівня напруги мережі (понад 260В) ком 8 паратор 8 формує сигнал на закриття електронного ключа 12, внаслідок чого припиняється подання напруги на обмотку 2 керування контактора 1. Робочий контакт 3 контактора 1 розмикається і коло навантаження знеструмлюється. Розмикання контрольного контакту 4 контактора 1 переводить стабілізатор напруги 10 в режим повторювача напруги, в результаті чого на першому вході електронного ключа 12 напруга збільшується з 9 до 27В. При поновленні напруги мережі до величини не менш ніж 245В компаратор 8 формує сигнал на відкриття електронного ключа 12, котрий з витримкою часу 6-10с, необхідною для захисту навантаження від можливих перехідних процесів в мережі, напругою 27В вмикає контактор 1 з наступним переведенням його обмотки керування 2 на напругу 9В. У разі неприпустимого зниження напруги мережі до 100-170В, тобто нижче від порога нижнього рівня, що може бути спричинене і коротким замиканням в колі навантаження, компаратор 7 формує сигнал на закриття електронного ключа 11, внаслідок чого подання напруги на вхід вторинного джерела 13 напруги припиняється. Однак протягом не менш ніж 1с напруга на виході вторинного джерела 13 напруги підтримується зарядженими конденсаторами 14 і 15, що є достатнім для спрацьовування автоматичних засобів захисту навантаження від струмів короткого замикання. Завдяки цьому досягається надійне тривале утримання робочого контакту 3 контактора 1 в закритому стані, розмикання якого відбувається у вже знеструмленому колі навантаження. Після досягнення напругою мережі величини, більшої на 10В від порога нижнього рівня, тобто уставки компаратора 7, електронний ключ 11 вмикається з витримкою часу 6-10с, після чого подання напруги мережі до кіл навантаження поновлюється. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 83558 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601