устройство для защиты от перегрузки по току

Формула изобретения

1. Устройство для защиты от перегрузки по току, содержащее датчик тока, исполнительный орган, дискретный формирователь сигналов о перегрузке по току, делитель напряжения, логический элемент ИЛИ и времязадающие цепи, обеспечивающие требуемые выдержки времени на пропускание тока перегрузки и выходы которых соединены с соответствующими входами логического элемента ИЛИ, отличающееся тем, что в него введены источник опорных напряжений и логический элемент 2И, выход которого соединен со входом исполнительного органа, его первый вход соединен с выходом логического элемента ИЛИ, а второй вход соединен с одним из выходов дискретного формирователя сигналов, по которому регистрируется критическое значение тока перегрузки, при этом другие выходы дискретного формирователя сигналов соединены с соответствующими входами времязадающих цепей, а датчик тока подсоединен в разрыв защищаемой цепи, к его выходу подсоединены через делитель напряжения первые входы дискретного формирователя сигналов, а его вторые входы соединены с соответствующими уровнями опорных напряжений.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дискретный формирователь сигналов о перегрузке по току выполнен на компараторах, при этом неинвертирующие входы компараторов, управляющие времязадающими цепями, инвертирующий вход компаратора, управляющий логическим элементом 2И, соединены с соответствующими уровнями опорных напряжений, а их инвертирующие входы и неинвертирующий вход соответственно соединены со средней точкой делителя напряжения, подсоединенного между выходами датчика тока и общей шиной источника опорных напряжений.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что времязадающие цепи выполнены по схеме одновибратора.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что логический элемент ИЛИ выполнен на параллельно соединенных транзисторах р-n-р типа, при этом их базы в качестве входов логического элемента ИЛИ соединены через соответствующие токоограничивающие резисторы с соответствующими выходами времязадающих цепей, их эмиттеры объединены и подсоединены к смещенной шине питания, а коллекторы также объединены и соединены в качестве выхода логического элемента ИЛИ с первым входом логического элемента 2И, при этом коллекторно-эмиттерные переходы транзисторов зашунтированы диодом в обратном направлении.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что логический элемент 2И выполнен на транзисторе р-n-р типа, при этом его база в качестве второго входа логического элемента 2И соединена через токоограничивающий резистор с одним из выходов дискретного формирователя сигналов, по которому регистрируется критическое значение тока перегрузки, его эмиттер в качестве первого входа логического элемента 2И соединен с выходом логического элемента ИЛИ, а его коллектор в качестве выхода логического элемента 2И соединен через токоограничивающий резистор со входом исполнительного органа, при этом база-эмиттерный переход транзистора зашунтирован диодом в обратном направлении.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что исполнительный орган выполнен по схеме транзисторного ключа n-р-n типа, управляющего обмоткой реле с переключающей контактной парой, при этом переключающий контакт соединен с шиной питания, замыкающий контакт соединен через токоограничивающий резистор с базой транзисторного ключа, а размыкающий контакт соединен с первым входом обмотки контактора, коммутирующего защищаемую цепь, второй вывод обмотки которого соединен с общей шиной питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите потребителей с зависимой защитной характеристикой.

Известно устройство для защиты маломощной трехфазной цепи от перегрузки по току [1] , содержащее исполнительный элемент, выпрямитель, два пороговых элемента, два токоограничивающих резистора, времязадающую цепь, разделительный диод, оптоэлектронный коммутатор, IK-триггер, два датчика тока, включенные в разрыв двух фаз защищаемой цепи, при этом пороговые элементы выполнены в виде самозапирающихся при токе перегрузки транзисторных ключей, первые два входа каждого порогового элемента подсоединены к соответствующему датчику тока, а выход каждого из них подключен к анодам первых двух соответствующих диодов выпрямителя, анод третьего диода которого подключен к клемме для соединения с фазой питающей сети без датчика тока, катоды диодов выпрямителя объединены и подключены к первому выводу оптоэлектронного коммутатора, второй вывод которого через первый токоограничивающий резистор подключен к аноду разделительного диода, катод которого подключен к клемме для соединения с фазой питающей сети без датчика тока, третьи входы пороговых элементов объединены и подключены к аноду разделительного диода, третий вывод оптоэлектронного коммутатора подключен к С-входу IК-триггера и через второй токоограничивающий - к клемме для соединения с плюсовой шиной питания и I-входу триггера, R-вход триггера подключен к времязадающей цепи, К- и S-входы и четвертый вывод оптоэлектронного коммутатора объединены и соединены с общей шиной питания, выход триггера соединен с входом исполнительного элемента, при этом датчики тока выполнены на резисторах.

В известном устройстве с целью пропускания кратковременной перегрузки по току времязадающая цепь блокирует на время перегрузки выключение исполнительного элемента, но при этом сама времязадающая цепь требует подачи внешних управляющих сигналов на формирование подобных блокировок.

Наиболее близким по функциональному назначению и по составу признаков для предлагаемого технического решения является устройство для защиты от перегрузки по току [2] , содержащее последовательно соединенные трансформатор тока, формирователь сигнала и делитель напряжения, исполнительный орган, логический элемент ИЛИ и времязадающие RС-цепи, входы которых подключены к делителю напряжения, а выходы через логический элемент ИЛИ подключены к исполнительному органу, причем количество дополнительных RС-цепей обусловлено требуемой точностью защитной характеристики устройства.

Недостатками известного устройства для защиты от перегрузки по току являются его ограниченные функциональные возможности и надежность, устройство реализует зависимую защитную характеристику путем прямоугольной аппроксимации пускового процесса с последующим наложением одного прямоугольника на другой, в которых две переменные величины ТОК ПЕРЕГРУЗКИ Х ВРЕМЯ ПЕРЕГРУЗКИ могут принимать различные значения, но при этом постоянная токовая нагрузка должна быть всегда ниже основного прямоугольника, что снижает функциональные возможности и надежность устройства при управлении несколькими потребителями по сложной циклограмме.

Кроме того, в данном устройстве защиты источником управляющего сигнала служит трансформатор тока, что исключает применение устройства в цепях постоянного тока, а в качестве датчиков тока использовать измерительные шунты и малоомные резисторы, что также ограничивает функциональные возможности устройства.

Известное устройство защиты имеет также неоднозначность по формированию времени пропускания тока перегрузки, т. к. порог срабатывания по конкретному входу логического элемента ИЛИ строго фиксирован, а управляющий сигнал с делителя напряжения для заряда соответствующей времязадающей RС-цепи может принимать дискретное значение от достаточности для срабатывания по конкретному входу логического элемента ИЛИ при заряде соответствующей RС-цепи и до недостаточности для срабатывания по другому входу логического элемента ИЛИ при заряде другой RC-цепи, что ведет к неоднозначности и снижает надежность устройства в целом.

Задача предлагаемого изобретения заключается в расширении функциональных возможностей и повышении надежности устройства для защиты от перегрузки до току.

Поставленную задачу решает предлагаемое изобретение, в котором в устройстве для защиты от перегрузки по току, содержащем датчик тока, исполнительный орган, формирователь сигнала, делитель напряжения, логический элемент ИЛИ и времязадающие цепи, количество которых обеспечивает требуемые выдержки времени на пропускание тока перегрузки и выходы которых соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ,

новым является то, что в него введены источник опорных напряжений и логический элемент 2И, выход которого соединен со входом исполнительного органа, его первый вход соединен с выходом логического элемента ИЛИ, а второй вход соединен с одним из выходов формирователя сигналов, регистрирующего критическое значение тока перегрузки, при этом другие выходы формирователя сигналов соединены по величине пропускания тока перегрузки с соответствующими входами времязадающих цепей, а датчик тока подсоединен в разрыв защищаемой цепи, к его выходу подсоединены через делитель напряжения первые входы формирователя сигналов, а его вторые входы соединены по величине пропускания тока перегрузки с соответствующими уровнями опорных напряжений;

формирователь сигналов выполнен на компараторах, при этом неинвертирующие входы компараторов, управляющие времязадающими цепями, и инвертирующий вход компаратора, управляющий логическим элементом 2И, соединены с соответствующими уровнями опорных напряжений, а их инвертирующие входы и неинвертирующий вход соответственно соединены со средней точкой делителя, подсоединенного между выходом датчика тока и общей шиной источника опорных напряжений;

времязадающие цепи выполнены по схеме одновибратора;

логический элемент ИЛИ выполнен на параллельно соединенных транзисторах р-п-р типа, при этом их базы соединены через соответствующие токоограничивающие резисторы с соответствующими выходами времязадающих цепей-одновибраторов, их эмиттеры объединены и подсоединены к смещенной шине питания, а коллекторы также объединены и соединены c первым входом логического элемента 2И, при этом коллекторно-эмиттерные переходы транзисторов зашунтированы диодом в обратном направлении;

логический элемент 2И выполнен на транзисторе р-п-р типа, при этом его база соединена через токоограничивающий резистор с выходом компаратора, регистрирующего критическое значение тока перегрузки, его эмиттер соединен с объединенными коллекторами транзисторов логического элемента ИЛИ, а его коллектор через токоограничивающий резистор соединен со входом исполнительного органа, при этом база-эмиттерный переход транзистора зашунтирован диодом в обратном направлении;

исполнительный орган выполнен по схеме транзисторного ключа п-р-п типа, управляющего обмоткой реле с переключающей контактной парой, при этом переключающий контакт соединен с шиной питания, замыкающий контакт соединен через токоограничивающий резистор с базой транзисторного ключа, а размыкающий контакт соединен с первым входом обмотки контактора, коммутирующего защищаемую цепь, второй вывод обмотки которого соединен с общей шиной питания.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства для защиты от перегрузки по току.

Устройство содержит датчик тока 4, подсоединенный в разрыв защищаемой цепи, формирователь сигнала 9, выполненный на компараторах 10-12, при этом неинвертирующие входы компараторов 10,11 и инвертирующий вход компаратора 12 соединены с соответствующими уровнями опорных напряжений, задаваемых многозвенным делителем напряжения 6-8 от параметрического стабилизатора напряжения на резисторе 14 и стабилитроне 13, подсоединенном катодом к шине питания 42, а инвертирующие входы компараторов 10, 11 и неинвертирующий вход компаратора 12 соединены со средней точкой делителя напряжения 2,3, подсоединенного между выходом датчика тока 4 и общей шиной 1 источника опорных напряжений - анодом стабилитрона 13, нижний по отношению к датчику тока 4 резистор 3 делителя напряжения может быть зашунтирован диодом 5, а выходы компараторов 10,11 подсоединены к соответствующими входам времязадающих цепей 15,27, каждая из которых выполнена по схеме одновибратора на компараторе 23, неинвертирующий вход которого подсоединен с одной стороны к средней точке делителя напряжения 18,22, подсоединенного в свою очередь между выходом компаратора 23 и смещенной шиной питания 39, с другой стороны он соединен с выходом соответствующего компаратора через последовательно включенные дифференциальную RC-цепь 16,17 и диод 19, при этом резистор 17 дифференциальной RC-цепи подсоединен между анодом стабилитрона 13 и общей точкой включения конденсатора 16 дифференциальной RC-цепи и анода диода 19, катод которого подсоединен к неинвертирующему входу компаратора 23. Инвертирующий вход компаратора 23 соединен с сигнальным выводом интегрирующей RC-цепи 21,24, подсоединенной между выходом компаратора 23 и смещенной шиной питания 39, при этом конденсатор 21 интегрирующей RC-цепи зашунтирован диодом 20, а ее резистор 24 зашунтирован последовательно включенными резистором 25 и диодом 26, а выходы времязадающих цепей-одновибраторов 15,27 подсоединены к соответствующим входам логического элемента ИЛИ (33), выполненного на транзисторах 36,37 р-п-р типа, при этом их базы соединены через соответствующие токоограничивающие резисторы 34,35 с соответствующими выходами времязадающих цепей-одновибраторов, их эмиттеры объединены и подсоединены к смещенной шине питания 39, а коллекторы также объединены, зашунтированы относительно эмиттеров диодом 38 и подсоединены к первому входу логического элемента 2И (28), выполненного на транзисторе 31 р-п-р типа, эмиттер которого является его первым входом, а база вторым входом, и через токоограничивающий резистор 29 подсоединена к выходу одновибратора 12, а через диод 30 - к его эмиттеру, при этом его коллектор через токоограничивающий резистор 32 подсоединен ко входу исполнительного органа 43, выполненного по схеме транзисторного ключа на транзисторе 46 п-р-п типа с базаэмиттерным резистором 45 и обмоткой реле 47, подсоединенной в качестве нагрузки в его коллекторную цепь и зашунтированной диодом 48, при этом переключающий контакт реле 47 соединен с шиной питания 42, замыкающий контакт соединен через токоограничивающий резистор 44 с базой транзистора 46, а размыкающий контакт соединен с первым входом обмотки контактора 40, коммутирующего защищаемую силовую цепь, второй вывод обмотки которого соединен с общей шиной питания 41.

Устройство работает следующим образом.

При подаче питания запитываетея через нормально замкнутые контакты роле 47 обмотка контактора 40, который включает защищаемую силовую цепь.

Делитель напряжения 2,3 выбран таким образом, что при отсутствии перегрузки по току на инвертирующих входах компараторов 10,11 и на неинвертирующем входе компаратора 12 формирователя сигналов 9 присутствует больший уровень напряжения, чем на их неинвертирующих входах и инвертирующем входе соответственно, задаваемые до величине пропускания тока перегрузки соответствующими опорными напряжениями от многозвенного делителя напряжения 6-8 и параметрического стабилизатора напряжения 13,14. При этом на выходах компараторов 10, 11 формируется логический "0", а управляемые ими соответствующие одновибраторы 15,27 находятся в нормально устойчивом состоянии, т. е. на их выходах также присутствует логический "0", открывающий транзисторы 36,37 логического элемента ИЛИ (33), но при этом на выходе компаратора 12, регистрирующего критическую перегрузку по току, присутствует логическая "1", которая через последовательно включенные резистор 29 и диоды 30,38 надежно закрывает транзистор 31 логического элемента 2И (28), при этом оказывается закрытым и транзистор 46 исполнительного органа 43.

При возникновении перегрузки до току начинают последовательно включаться ступени пропускания тока перегрузки посредством появления логической "1" на соответствующих выходах компараторов 10 (11) и запуска по положительному фронту соответствующих одновибраторов 15 (27) на соответствующее время пропускания тока перегрузки, при этом транзисторы 36 (37) логического элемента ИЛИ (33) также закрываются на соответствующее время, но при этом если ток перегрузки по истечении соответствующего времени станет меньше, или не превысит критического значения тока перегрузки, транзистор 31 логического элемента 2И (28) также окажется закрытым и срабатывание исполнительного органа 43 не происходит.

При возникновении критической перегрузки или короткого замыкания в защищаемой цепи по истечении минимальной временной задержки происходит открытие соответствующего транзистора логического элемента ИЛИ (33), при этом через открывшийся при возникновении критической перегрузки транзистор 31 логического элемента 2И (28) происходит открытие транзистора 46 исполнительного органа 43, срабатывает его реле 47, которое разрывает цепь запитки обмотки контактора 40, через резистор 44 становится на самоблокировку, контактор 40 выключает защищаемую силовую цепь, при этом диод 5 предохраняет входы компараторов 10-12 от возможного воздействия предельно-допустимого входного напряжения.

Таким образом, предложенное техническое решение реализует зависимую защитную характеристику, в которой ТОК ПЕРЕГРУЗКИ Х ВРЕМЯ ПЕРЕГРУЗКИ могут принимать различные значения, но при этом отключение потребителей от защищаемой цепи происходит только при превышении КРИТИЧЕСКОГО ЗНАЧЕНИЯ ТОКА ПЕРЕГРУЗКИ, который может варьироваться в любых пределах.

Предложенное техническое решение позволяет эффективно защищать силовые цепи постоянного и переменного тока с использованием различных датчиков тока.

Предложенное техническое решение реализует однозначные токовые и временные уставки за счет дискретного принципа управления с использованием компараторов и одновибраторов.

Таким образом, предложенное устройство для защиты от перегрузки по току имеет расширенные функциональные возможности и повышенную надежность.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР 1598023, кл. Н 02 Н 7/06, 1990.

2. Авторское свидетельство СССР 750633, кл. Н 02 Н, 3/093, 1980.