устройство для защиты электроустановки (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для защиты электроустановки, содержащее управляемый вентиль и датчик тока, включенные в последовательную цепь, первый вывод которой подключен к выводу для подключения входного источника постоянного напряжения, управляемый ключ, управляющий вход которого подключен к выходу датчика тока, отличающееся тем, что оно снабжено управляемым сопротивлением и выводами для подключения управляющего источника, причем управляющий вывод управляемого вентиля подключен к первому выводу для подключения управляющего источника и через управляемый ключ к свободному выводу датчика тока, второй вывод последовательной цепи подключен к выходному выводу для подключения электроустановки, точка соединения управляемого вентиля и датчика тока подключена к второму выводу для подключения управляющего источника через управляемое сопротивление, управляющий вывод которого подключен к свободному выводу датчика тока.

2. Устройство для защиты электроустановки, содержащее управляемый вентиль и датчик тока, включенные в первую последовательную цепь, первый вывод которой подключен к первому выводу для подключения входного источника постоянного напряжения, вторую последовательную цепь, состоящую из управляемого ключа и дополнительного источника питания, например предварительно заряженного конденсатора, и включенную параллельно управляемому вентилю первой последовательной цепи, при этом управляющий вход первого управляемого ключа подключен к выходу датчика тока, отличающееся тем, что оно снабжено управляемым сопротивлением и выводами для подключения управляющего источника, причем управляющий вывод управляемого вентиля подключен к первому выводу для подключения управляющего источника, второй вывод первой последовательной цепи подключен к выходному выводу для подключения электроустановки, точка соединения управляемого вентиля и датчика тока первой последовательной цепи подключена к второму выводу для подключения управляющего источника через управляемое сопротивление, управляющий вывод которого подключен к свободному выводу датчика тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты источников питания, электроустановок, электронной аппаратуры и др.

Известно устройство для токовой защиты электроустановки постоянного тока от перегрузки [1] содержащее включающий тиристор, соединенный последовательно с датчиком тока и электроустановкой, отключающий тиристор, подключенный параллельно включающему, причем аноды тиристоров соединены через конденсатор, первый транзистор, база-эмиттерный переход которого совместно с первым резистором и первым стабилитроном включен параллельно датчику тока, а коллектор через второй резистор к управляющему электроду отключающего тиристора, второй транзистор, база-эмиттерный переход которого включен через второй стабилитрон и третий резистор параллельно электроустановке, кнопку включения, подключенную последовательно с четверным резистором параллельно включающему тиристору, и кнопку отключения, включенную параллельно последовательной цепи из первого стабилитрона и эмиттер-коллекторного перехода транзистора, причем отключающий тиристор анодом подключен к датчику тока через последовательно соединенные дополнительный диод и элемент сигнализации, а коллектор второго транзистора через дополнительный резистор подключен к управляющему электроду включающего тиристора.

Недостаткам устройства являются его сложность из-за использования большого числа полупроводниковых приборов, малая надежность при включении.

Известно устройство для управления управляемым вентилем [2] содержащее управляемый вентиль и датчик тока, включенные последовательно, причем управляющие выводы управляемого вентиля подключены к выводам для подключения управляющего источника через управляемое сопротивление, управляющий вход которого подключен к выходу датчика тока.

Недостатками этого устройства являются малая надежность и узость функциональных возможностей.

Известно также устройство для токовой защиты [3] содержащее основной и вспомогательный тиристоры, аноды которых соединены непосредственно, а катоды через конденсатор, датчик тока нагрузки, соединенный через реагирующий орган с управляющим электродом вспомогательного тиристора, катод которого через цепь заряда накопительного конденсатора соединен с отрицательным зажимом к нагрузки.

Недостатком такого устройства является его низкая надежность из-за того, что контроль состояния цепи нагрузки в момент включения основного тиристора обеспечивается дополнительным пороговым каскадом.

Известно наиболее близкое к предлагаемому устройство для токовой защиты [4] содержащее основной и вспомогательный тиристоры (управляемые вентили), аноды которых соединены непосредственно, а катоды через конденсатор, датчик тока нагрузки, соединенный через реагирующий орган с управляющим электродом вспомогательного тиристора, катод которого через цепь заряда конденсатора соединен с отрицательным зажимом нагрузки, диод, анод которого подключен к катоду основного тиристора, а катод к управляющему электроду основного тиристора и положительному зажиму нагрузки.

Недостатком устройства-прототипа является относительное большая потребляемая мощность, вызванная последовательным соединением датчика перегрузки (тока), управляемым вентилем тиристором и дополнительным диодом, что увеличивает потребление мощности как на дополнительном диоде, так и управляемом вентиле тиристоре, так как увеличением тока электроустановки увеличивается запирающий (обратный) ток управляющего входа (управляющий электрод катод) управляемого вентиля, что приводит к увеличению падения напряжения на силовых выводах управляемого вентиля тиристора (и его переходе анод катод), что увеличивает нагрев основного управляемого вентиля (тиристора), что увеличивает время срабатывания защиты, так как с увеличением температуры управляемого вентиля (тиристора) увеличивается время рекомбинации носителей заряда при запирании управляемого (основного) вентиля (тиристора). Для надежного запирания необходимо увеличение емкости коммутирующего конденсатора. Кроме того, недостатком устройства является малая надежность из-за возможности ложного включения срабатывания защиты, вызванной ложным включением вспомогательного управляемого вентиля, при кратковременном скачкообразном изменении (уменьшении тока) тока электроустановки, источника питания, электронной аппаратуры и др. особенно при наличии индуктивного ее характера, так как увеличивается разряд коммутирующего конденсатора по цепи резистора и управляющего входа вспомогательного тиристора в прямом его направлении для его управляющего входа, что приводит к его ложному включению и отключению (запиранию) основного тиристора. При этом одновременный разряд коммутирующего конденсатора как через обратные силовые выводы основного тиристора, так и по цепи его управляющего входа в прямом направлении (цепи, параллельной дополнительному диоду) приводит к увеличению времени срабатывания защиты и при перегрузке относительно большой включающий ток кнопки включения и выключения приводит к увеличению массогабаритных показателей их и всего устройства, а относительно большое напряжение источника питания увеличивает время включения транзистора, так как с увеличением предельно допустимого напряжения уменьшается у транзистора коэффициент усиления, уменьшается его быстродействие и увеличиваются коммутационные потери.

Цель изобретения уменьшение потребляемой мощности (увеличение КПД) и увеличение надежности устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для защиты электроустановки, содержащем управляемый вентиль и датчик тока, включенные в последовательную цепь, первый вывод которой подключен к выводу для подключения входного источника постоянного напряжения, управляемый ключ, управляющий вход которого подключен к выходу датчика тока, управляющий вывод управляемого вентиля подключен к первому выводу для подключения управляющего источника и через управляемый ключ к свободному выводу датчика тока, второй вывод последовательной цепи подключен к выходному выводу для подключения электроустановки, точка соединения управляемого вентиля и датчика тока подключена к второму выводу для подключения управляющего источника через управляемое сопротивление, управляющий вывод которого подключен к свободному выводу датчика тока.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для защиты электроустановки, содержащем управляемый вентиль и датчик тока, включенные в последовательную цепь, первый вывод которой подключен к первому выводу для подключения входного источника постоянного напряжения, вторую последовательную цепь, состоящую из управляемого ключа и дополнительного источника питания, например предварительно заряженного конденсатора, и включенную параллельно управляемому вентилю первой последовательной цепи, управляющий вход управляемого ключа подключен к выходу датчика тока, управляющий вывод управляемого вентиля подключен к первому выводу для подключения управляющего источника, второй вывод первой последовательной цепи подключен к выходному выводу для подключения электроустановки, точка соединения управляемого вентиля и датчика тока первой последовательной цепи подключена к второму выводу для подключения управляющего источника через управляемое сопротивление, управляющий вывод которого подключен к свободному выводу датчика тока.

Сущность изобретения заключается в изменении совокупности признаков известного устройства, причем исключение последовательно включенного вентиля позволяет уменьшить потерю мощности и тем самым увеличить КПД устройства, а обеспечение возможности самоформирования управляющего включающего сигнала управляемого вентиля, учитывающего практически все параметры устройства (температуру управляемого вентиля, его ВАХ, величину и характер нагрузки, величину входного напряжения и др.), позволяет обеспечить включение нагрузки с минимальным временем включения электроустановки, а также обеспечить самовыключение управляющего источника при увеличении тока управляемого вентиля, включающего его тока, и тем самым уменьшить суммарный ток вблизи мест подключения управляемого вентиля, минимальной величины и скорости его нарастания, тем самым увеличить вероятность включения без прожига электродов при включении на относительно большую нагрузку, тем самым увеличить надежность всего устройства, использование относительно низковольтного управляющего источника позволяет уменьшить потребляемую мощность цепи управления, а исполнение варианта, где в качестве управляемого вентиля может быть использован двухоперационный управляемый вентиль, быстродействие которого больше чем однооперационного, увеличивает и надежность защиты электроустановки меньшим ее временем отключения при перегрузке или коротких замыканиях, причем при коротких замыканиях датчик тока может выполнять функции ограничителя тока, т.е. нагрузки.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие устройств защиты с предлагаемой совокупностью существенных признаков.

На фиг. 1 изображена функциональная (принципиальная) электрическая схема устройства, в котором в качестве управляемого вентиля использован двухоперационный управляемый вентиль (запираемый, комбинированно-запираемый и др.); на фиг. 2 функциональная (принципиальная) электрическая схема устройства, в котором в качестве управляемого вентиля использован однооперационный управляемый вентиль.

Устройство на фиг. 1 содержит управляемый вентиль 1 и датчик 2 тока, включенные последовательно между первым выводом 3 для подключения входного источника постоянного напряжения (тока) и первым выводом 4 для подключения электроустановки 5, второй вывод 6 которой предназначен для подключения к общей шине (второму выводу). Второй вывод 7 предназначен для подключения второго вывода входного источника постоянного напряжения (тока). Точка соединения первых выводов (катода) управляемого вентиля 1 и датчика 2 тока дополнительно подключена к второму выводу 8 для подключения управляющего источника управляемого вентиля 1 через управляемое сопротивление 9, выполненное в данном примере на усилительном элементе 10 (полевом транзисторе), управляющий вывод 11 которого подключен к второму выводу датчика 2 тока. Управляющий вывод (управляющий электрод) управляемого вентиля 1 подключен к первому выводу 12 для подключения управляющего источника, а к второму выводу датчика 2 тока через управляемый ключ 13, выполненный электрически (или электрически и оптически для оптически управляемого тиристора), управляющий вход которого, например электрический, подключен к первому выводу датчика тока через пороговый элемент, или оптически к оптическому выходу датчика тока. Управляемое сопротивление может быть выполнено и на других усилительных элементах, например биполярном транзисторе или в виде усилительной схемы.

Устройство на фиг. 2 отличается тем, что параллельно управляемому вентилю 1 включена последовательно включенная цепь из управляемого ключа 14, управляющий вход которого подключен к выходу датчика 2 тока, и источника 15 питания, например предварительно заряженного цепью 16 конденсатора, а также использованием в качестве управляемого вентиля 1 однооперационного (или двухоперационного) управляемого вентиля 1.

Возможно в одном устройстве совмещение обоих вариантов устройства, где быстродействие управляемого ключа 14 превышает быстродействие включения управляемого ключа 13.

Работает устройство (фиг. 1) следующим образом.

При использовании в качестве управляемого вентиля 1 двухоперационного управляемого вентиля с управлением по катоду для включения устройства и электроустановки 5 подают управляющее напряжение на управляющие выводы 12 и 8 (включающие) при условии наличия напряжения на выводах 3 и 7 входного напряжения постоянного напряжения, причем в связи с отсутствием падения напряжения на датчике 2 тока, подаваемом на вход управляемого сопротивления 9, величина сопротивления 9, определяемая проводимостью элемента 10, мала и управляющий включающий сигнал максимален и определен управляющим источником, подключенным к выводам 8 и 12. Поэтому под воздействием управляющего включающего сигнала управляемый вентиль 1 начинает открываться, подключая электроустановку 5 к входному источнику выводов 3 и 7, причем в зависимости от величины и характера электроустановки включение управляемого вентиля 1 по всей его площади включения различно, поэтому и время его включения зависит от большого числа факторов: от ВАХ управляемого вентиля, температуры, величины и характера используемой электроустановки 5.

При большой нагрузке или ее реактивном характере, особенно емкостном характере или активно-емкостном, при увеличении тока управляемого вентиля 1 увеличивается и выходной сигнал датчика 2 тока, следовательно, увеличивается и сопротивление 9. При величине тока управляемого вентиля, достаточной для включения его и удержания во включенном состоянии (тока включения), величина сопротивления 9 велика и при этом отключается управляющий включающий сигнал управляющего входа управляемого вентиля 1, чем уменьшается суммарный ток первоначально включаемой площади структуры управляемого вентиля, что уменьшает вероятность прожига управляемого вентиля при включении электроустановки, так как прожиг происходит вблизи мест подключения управляющего вывода (входа) управляемого вентиля 1 из-за относительно большого суммарного тока как цепи включения, так и первоначально включаемой площади структуры управляемого вентиля.

Таким образом обеспечивается самоформирование управляющего сигнала оптимально минимальной длительности и тем самым увеличивается надежность работы всего устройства защиты при включении его на электроустановку или с переменной величиной проводимости, или активно-резистивного характера и др. обеспечением самоотсечки управляющего включающего сигнала, уменьшением суммарной величины и скорости нарастания тока в первоначально включаемой площади структуры управляемого вентиля 1. При подаче запирающего сигнала на выводы 12 и 8 управляемый вентиль выключается, отключая электроустановку.

При перегрузке или коротком замыкании электроустановки 5 роль нагрузки как ограничителя тока короткого замыкания играет датчик 2 тока, при токе через который, превышающем допустимый с выхода датчика тока, подается сигнал на включение ключа 13, при этом увеличивается запирающий ток управляемого вентиля 1 и он выключается, отключая электроустановку. При использовании в качестве управляемого ключа 13 элемента, время выключения которого относительно велико, обеспечивается отключение электроустановки до подачи очередного включающего сигнала.

Работа устройства по фиг. 2 при включении аналогична работе устройства по фиг. 1.

При возникновении перегрузки или короткого замыкания электроустановки 5 функции нагрузки начинает выполнять датчик 2 тока как ограничитель тока, и по достижении тока перегрузки, более предельно допустимого выходным сигналом, с датчика тока включается управляемый ключ (вентиль) 14, включенный последовательно с источником 15, например предварительно заряженным конденсатором, цепью 16, при этом к управляемому вентилю прикладывается обратное напряжение источника 15, запирающее управляемый вентиль 1 обратным напряжением.

Выключение управляемого вентиля 1 обеспечивает отключение электроустановки 5 от источника выводов 3 и 7.

Таким образом обеспечивается защита электроустановки от перегрузки или короткого замыкания, а использование управляемого сопротивления 9 позволяет увеличить надежность устройства при включении путем обеспечения самоформирования управляющего включающего сигнала оптимально минимальной длительности, уменьшением вероятности прожига структуры управляемого вентиля 1 при включении электроустановки с большими пусковыми токами или реактивного характера. При использовании двухоперационного управляемого вентиля 1 управляющим источником может обеспечиваться и отключение электроустановки по цепи управляемого сопротивления 9.

При использовании дополнительного управляющего входа в управляемом сопротивлении, подключенном к дополнительному выходу датчика 2, может осуществляться отключение управляющего источника (выводов 8 и 12) на некоторое время, обеспечивая задержку повторного включения электроустановки, после перегрузки при использовании в качестве управляющего источника выводов 8 и 12 относительно длительного включающего источника (например, тока).

Таким образом, предложенными вариантами обеспечивается увеличение надежности всего устройства по сравнению с прототипом при включении на относительно большие токи электроустановки, например пусковые, уменьшением вероятности прожигов структуры управляемых вентилей 1, обеспечением самоформирования управляющего включающего сигнала оптимально-минимальной длительности, учитывающей ВАХ управляемого вентиля, температуру, величины и характер электроустановки 5.

Предложенные варианты могут обеспечить возможность использования устройства на различных типах управляемых вентилей 1, одно- или двухоперационного исполнения.