схема для контроля выключателя переменного тока

Формула изобретения

1. Схема для контроля состояния, разомкнутого или замкнутого, выключателя переменного тока, имеющего первый и второй контакты, причем первый контакт выключателя переменного тока соединен с фазой напряжения электрической сети, а второй контакт выключателя переменного тока соединен со входом схемы, схема содержит первый и второй цифровые модули, в которой вход схемы для контроля соединен посредством диода и первого резистора с высокоомным входом первого цифрового модуля, а высокоомный вход первого цифрового модуля соединен посредством второго резистора с выходом второго цифрового модуля, в течение заранее установленного временного интервала выход второго цифрового модуля либо может быть присоединен к нейтральной точке напряжения электрической сети, либо может иметь напряжение, большее порогового напряжения высокоомного входа первого цифрового модуля, при этом на выходе первого цифрового модуля, определяемом входом первого цифрового модуля, формируются двоичные сигналы и по этим сформированным двоичным сигналам можно заключить, замкнут ли выключатель переменного тока и целы ли диод и второй резистор, либо разомкнут ли выключатель переменного тока.

2. Схема по п. 1, в которой для контроля множества выключателей переменного тока имеется множество первых цифровых модулей, причем каждый имеет свой высоокомный вход, соединяемый с соответствующим одним из выключателей переменного тока, а выход второго цифрового модуля служит в качестве общего выхода для всех выключателей переменного тока.

3. Схема по п. 1, в которой вход первого цифрового модуля и выход второго цифрового модуля являются двунаправленными портами.

4. Схема по п. 2, в которой вход каждого первого цифрового модуля и выход второго цифрового модуля являются двунаправленными портами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается схемы для контроля состояния (разомкнутого или замкнутого) выключателя переменного тока.

Выключатели используются, например, в устройствах для управления и контроля горелки и устройствах воспламенения систем нефтяного отопления и газового отопления и для контроля выключателей для управления рабочими органами, как например, топливными клапанами и воздушными заслонками, в которых микропроцессор вычисляет единицы информации, поставляемой посредством линий передачи сигналов, несущих напряжение электрической сети и выдает подходящие управляющие команды. В частности, учитывая аспект безопасности, который требуется в процедуре включения и при работе нефтяных и газовых горелок, способность выключения устройств выключателя, которые переключают нагрузки, которые являются критическими в отношении безопасности (как например, топливный клапан), должна часто проверяться для того, чтобы быть способной обнаруживать неправильное срабатывание устройства выключателя прежде, чем возникнет опасная ситуация.

Описание патента Германии 3044047 и описание патента Германии 3041521 С2 раскрывает устройство контроля для нефтяных горелок, в которых единицы информации о состояниях переключения контактов реле и датчиков передаются в микропроцессор посредством усилителей. Состояния переключения контактов реле подаются посредством линий передачи сигналов, несущих напряжение электрической сети, в соответствующие усилители, каждый из которых соединяется на стороне своего выхода с входом микропроцессора так, что последний может иметь ряд входов, соответствующих числу усилителей. Разделительные элементы, такие как, например, оптроны или трансформаторы, используются для гальванического разделения линий передачи сигналов и микропроцессора. В этом устройстве имеется один разделительный элемент на напряжение сигнала. Микропроцессор программируется для реализации ряда операций проверки для установления, действительно ли система с включаемыми нагрузками проходит через фазу включения правильным образом. С этой целью сигналы считываются микропроцессором и сравниваются с эталонными величинами. В случае дефектного состояния нагрузки, микропроцессор выключает нагрузки.

Кроме того, в устройстве, известном из выложенной заявки Германии (DE-OS) 4137204 для контроля выключателей переменного тока, линии передачи сигналов, несущие напряжение электрической сети, соединяются посредством оптронов с устройством опрашивания детектора напряжения переменного тока. В этом устройстве линии передачи сигналов соединяются с оптронами посредством соответствующих элементов нижних частот, каждый из которых содержит резистор и конденсатор, соединенные последовательно между собой. Состояния переключения выключателей переменного тока опрашиваются посредством линий передачи сигналов и запоминаются. В вычислительном устройстве, соединенном ниже опрашивающего устройства, состояния переключения сравниваются с эталонным состоянием - разомкнутым или замкнутым - и, в соответствии с этим, формируется сигнал состояния выключателя, который содержит, по меньшей мере, одну единицу информации - ошибка или отсутствие ошибки - общую для всех имеющихся выключателей переменного тока. Невозможно установить из сигнала состояния выключателя, какой выключатель переменного тока не может больше выключаться, если необходимо, так что простая индикация с целью диагностики является невозможной.

Европейские патенты ЕР 660043 и 660044 также раскрывают схемы для контроля выключателей переменного тока. Однако эти схемы не могут проверяться в непрерывном режиме относительно правильной работоспособности их компонент, которые являются релевантными по отношению к безопасности.

Задачей настоящего изобретения является предоставление схемы для контроля выключателя переменного тока, с помощью которого нагрузка может включаться к напряжению электрической сети, на которую может подаваться питание напротив нейтральной точки напряжения электрической сети и компоненты которой, которые являются релевантными по отношению к безопасности, можно проверять в непрерывном режиме работы схемы в любое время для ее правильной работоспособности.

Изобретение предлагает схему для контроля состояния - разомкнутого или замкнутого - выключателя переменного тока, первый контакт которой соединен с фазой напряжения электрической сети, причем схема содержит:

вход, который может соединяться с вторым контактом выключателя переменного тока;

первую и вторую цифровые компоненты;

в которой вход соединен посредством диода и первого резистора с высокоомным входом первой цифровой компоненты;

высокоомный вход первой цифровой компоненты соединен посредством второго резистора с выходом второй цифровой компоненты;

в соответствии с заранее определенным временным интервалом, выход второй цифровой компоненты может либо быть подсоединенным к нейтральной точке напряжения электрической сети, либо нести напряжение, которое больше, чем пороговое напряжение входа первой цифровой компоненты, так что из сигнала на выходе, связанном с входом первой цифровой компоненты, можно заключить, замкнут ли выключатель переменного тока, а диод и второй резистор не повреждены, либо, разомкнут ли выключатель переменного тока.

Выгодные конфигурации излагаются в зависимой формуле изобретения.

Предпочтительные воплощения изобретения описываются далее более подробно с ссылкой на чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схему для контроля выключателя переменного тока;

фиг.2, 3 и 4 изображают диаграммы напряжения и сигнала;

фиг.5 изображает первое развитие сети;

фиг.6 изображает второе развитие сети.

фиг.1 изображает схему 1 для контроля выключателя 2 переменного тока. На схему 1 подается питание от напряжения _PN электрической сети между фазой Р и нейтральной точкой N. Выключатель 2 переменного тока может, например, как показано пунктирной линией на фиг.1, соединять нагрузку 3 с напряжением U_PN. В этом случае выключатель 2 переменного тока и нагрузка 3 соединяются последовательно, причем контакт выключателя 2 переменного тока соединяется с фазой Р, а контакт нагрузки 3 соединяется с нейтральной точкой N. Ответвление между выключателем 2 переменного тока и нагрузкой 3 соединяется с входом 4 схемы 1.

Однако выключатель 2 переменного тока может быть также выключателем, положение которого - разомкнутого или замкнутого - служит в качестве сигнализации или управляющего сигнала. В качестве примера, можно упомянуть, что выключатель 2 переменного тока мог бы быть выключателем превышения температуры, который открывается, как только превышается заранее определенная температура, или, что выключатель 2 переменного тока мог бы быть ограничивающим выключателем, который открывается (или закрывается), как только единица оборудования достигнет заранее определенного положения. В этих случаях нагрузка 3 должна быть просто воображаемо исключена из фиг.1. Во всех случаях один контакт выключателя 2 переменного тока соединяется с фазой Р напряжения U_PN электрической сети, а другой контакт соединяется с входом 4 схемы 1.

Схема 1, которая имеет обычные контакты V_DD и V_SS напряжения питания, питается напряжением U_SS известным способом, например частью напряжения, формируемого из диода 5, резистора 6, диода 7 Зенера и конденсатора 8, причем контакт V_SS напряжения питания соединяется с нейтральной точкой N. Питание для схемы 1 может быть, однако, также реализовано другим образом, например посредством трансформатора с последующим выпрямлением, стабилизацией и гальваническим соединением с нейтральной точкой N.

Вход 4 соединяется посредством диода 9 и первого резистора 10 с высокоомным входом 11 первой цифровой компоненты 12. Второй резистор 13 соединяет высокоомный вход 11 с выходом 14 второй цифровой компоненты 15. Вход 11 и выход 14 двух цифровых компонент 12 и 15 соответственно соединяются, как обычно, посредством защитных диодов 16 с напряжением U_DD питания и нейтральной точкой N.

По причинам безопасности дефекты компоненты не должны иметь результатом того, что схема 1 интерпретирует разомкнутый выключатель 2 переменного тока как являющийся замкнутым выключателем 2 переменного тока. Поэтому все дефекты компонент, которые могли бы приводить к результату, который является опасным с точки зрения безопасности, должны автоматически обнаруживаться схемой 1. Выполнение контроля компоненты обеспечивается с этой целью. Если, например, диод 9 является коротко замкнутым в результате дефекта, тогда сигналы, которые соединяются в емкостной связи на входе 4 схемы 1, не должны иметь результатом, что схема 1 неправильно сигнализирует, что выключатель 2 переменного тока замкнут. Прерывание в резисторе 13 также имеет результатом изменение напряжения на входе 11 первой цифровой компоненты 12. Это также не должно приводить к результату, который является опасным в отношении безопасности относительно положения выключателя 2 переменного тока. Резисторы 10 и 13 изготавливаются с использованием технологии, которая, когда имеется дефект, только позволяет прерывание, а не короткое замыкание. Поэтому достаточно проверять резисторы 10 и 13 на прерывание.

Выполнение операции опрашивания положения выключателя 2 переменного тока и выполнение проверки компоненты относительно работоспособности компонент 9, 10 и 13 может производиться в процессах, которые разделены относительно времени, или посредством общего процесса.

Опрашивание состояния выключателя 2 переменного тока - разомкнутого или замкнутого - без проверки компонент может производиться выходом 14 цифровой компоненты 15, соединенной с нейтральной точкой N. Фиг.2 изображает для двух состояний выключателя 2 переменного тока, замкнутого или разомкнутого, как функцию времени t:

а) форму напряжения на входе диода 9,

b) форму напряжения на выходе диода 9,

c) форму напряжения на входе 11 первой цифровой компоненты 12,

d) импульсы квантования,

e) двоичные сигналы 0 или 1 на выходе 17 (фиг.1) первой цифровой компоненты 12, которые создаются квантованием напряжения, подаваемого на вход 11 первой цифровой компоненты 12, импульсами квантования.

Из-за защитных диодов 16 в цифровых компонентах 12 и 15 (фиг.1) форма напряжения, когда выключатель 2 переменного тока замкнут, на входе 11 первой цифровой компоненты 12 является практически прямоугольной и в фазе с напряжением U_PN. Резисторы 10 и 13 действуют как делители напряжения. При каждом сканирующем импульсе на выходе 17 цифровой компоненты 12 появляется двоичный сигнал 0 или 1 соответственно, который определяет, ниже ли или выше напряжение на входе 11, чем пороговое напряжение U_S (например, 2,5 V), которое заранее определяется входом 11. Дополнительное вычисление квантования может выполняться, например, суммированием сигналов 0 и 1 соответственно, которое происходит в течение данного периода времени, причем период времени является длиннее, чем половина периода электрической сети. Когда выключатель 2 переменного тока разомкнут, эта сумма должна давать ноль. Когда выключатель 2 переменного тока замкнут, эта сумма, с одной стороны, должна давать конечное значение, которое отличается от нуля, а с другой стороны, значения сигналов в пределах упомянутого периода времени должны содержать как значения 0, так и значения 1.

Для того чтобы выполнять проверку компоненты, с помощью которой возможно проверять, является ли диод некороткозамкнутым или один из резисторов 10 или 13 не прерванным, положительное напряжение, которое больше, чем пороговое напряжение U, подается на выход 14 второй цифровой компоненты 15. Если резистор 13 является неповрежденным, тогда напряжение на входе 11 первой цифровой компоненты 12 также больше, чем пороговое напряжение U_S. Период времени, в течение которого подается положительное напряжение на выход 14, больше, чем полуволна электрической сети и короче, чем полная волна электрической сети. Неисправность компоненты происходит, когда сигналы, появляющиеся на выходе 17 первой цифровой компоненты 12 не соответствуют ожидаемым сигналам, как будет сейчас описано более подробно.

Фиг. 3a и 3b изображают для случая неповрежденного и короткозамкнутого диода 9 соответственно, снова для двух состояний выключателя 2 переменного тока, замкнутого и разомкнутого соответственно, как функцию времени t:

a) форму напряжения на выходе диода 9,

b) форму напряжения на выходе 14 второй цифровой компоненты 15,

c) форму напряжения на входе 11 первой цифровой компоненты 12,

d) импульсы квантования,

е) сигналы на выходе 17 первой цифровой компоненты 12.

Если выключатель 2 переменного тока замкнут, а диод 9 и резисторы 10 и 13 являются неповрежденными (фиг.3а), сигналы величины 1 появляются на выходе 17 первой цифровой компоненты 12, когда напряжение на входе 11 превышает пороговое напряжение U_S, как следствие текущей положительной полуволны электрической сети, или как следствие положительного напряжения на выходе 14 второй цифровой компоненты 15.

Однако в случае короткого замыкания диода 9 (фиг.3b) сигналы величины 1 появляются только в течение положительной полуволны электрической сети, в течение отрицательной полуволны электрической сети напряжения на входе 11 первой цифровой компоненты 12 ниже пороговой величины U_S, так что сигналы величины 0 появляются на выходе 17 первой цифровой компоненты 12.

Если резистор 10 прерывается, тогда напряжение на входе 11 первой цифровой компоненты 12 не зависит от положения выключателя 2 переменного тока и равно напряжению на выходе 14 второй цифровой компоненты 15, то есть сигналы 1 или 0, которые в фазе с напряжением на выходе 14 второй цифровой компоненты 15, появляются на выходе 17 второй цифровой компоненты 12.

Если резистор 13 прерывается, тогда напряжение на входе 11 первой цифровой компоненты 12 не зависит от напряжения на выходе 14 второй цифровой компоненты 15. Сигналы на выходе 17 первой цифровой компоненты 12 являются тогда в фазе с напряжением на входе 4 схемы 1.

Если выключатель 2 переменного тока разомкнут, тогда напряжение на входе 11 первой цифровой компоненты 12 зависит только от напряжения на выходе 14 второй цифровой компоненты 15 и является ли резистор 13 неповрежденным или прерванным. Если резистор 13 является неповрежденным, тогда напряжение на выходе 17 первой цифровой компоненты 12 должно быть в фазе с напряжением на выходе 14 второй цифровой компоненты 15. Если резистор 13 прерывается, тогда только сигналы 0 могут появляться на выходе 17 первой цифровой компоненты 12.

Таблица 1 дает обзор различных вариантов. Первая колонка символически иллюстрирует, разомкнут ли выключатель 2 переменного тока или замкнут и являются ли неповрежденными или поврежденными диод 9 и резистор 10 и 13. Число N во второй колонке указывает, сколько сигналов величины 1 появляются на выходе 17 первой цифровой компоненты 12, когда двадцать импульсов квантования обеспечиваются на полную волну электрической сети, и когда напряжение на выходе 14 второй цифровой компоненты 15 выше порогового напряжения U_S в течение периода времени, который включает четырнадцать импульсов квантования.

Проверка компоненты должна таким образом давать число N, которое больше, чем или равно 14. Если выключатель 2 переменного тока замкнут, тогда диод 9 и резисторы 10 и 13 являются неповрежденными, если число N14. Если выключатель 2 переменного тока разомкнут, тогда только резистор 13 может быть проверен. Он является неповрежденным, если число N=14. Если проверка компоненты дает число N, которое меньше, чем 14, тогда имеется повреждение компоненты. Если проверка компоненты дает число N, которое больше, чем или равно 14, тогда, как описано выше, состояние - разомкнутое или замкнутое - выключателя 2 переменного тока может быть теперь установлено операцией опрашивания, в которой выход 14 второй цифровой компоненты 15 соединяется с нейтральной точкой N.

Ссылка теперь делается на фиг.4 для описания воплощения, в котором опрашивание положения выключателя 2 переменного тока и проверка работоспособности компонент выполняются в едином процессе. Выход 14 второй цифровой компоненты 15 обычно несет уровень нейтральной точки N, но на частоте R с регулярными интервалами он устанавливается в течение длительности одного импульса квантования на более высокий уровень, на котором напряжение на входе 11 первой цифровой компоненты 12 превышает пороговое напряжение U_S. В течение полной волны TN электрической сети генерируются М импульсов квантования и двоичные значения квантования на выходе 17 первой цифровой компоненты 12 суммируются для того, чтобы дать сумму Z. Диаграммы изображают для двух состояний выключателя 2 переменного тока, замкнутого и разомкнутого, соответственно как функцию времени t:

a) форму напряжения на выходе диода 9,

b) форму напряжения на выходе 14 второй цифровой компоненты 15,

c) форму напряжения на входе 11 первой цифровой компоненты 12,

d) импульсы квантования,

e) сигналы на выходе 17 первой цифровой компоненты 12.

Таблица 2 показывает возможные значения суммы Z и их смысл, где кроме общеприменимых деталей таблица также объясняет детали относительно конкретного примера с М=32 и R=8.

означает, что выключатель 2 переменного тока "замкнут" и, что компоненты 9, 10 и 13 являются неповрежденными. Z=R означает, что выключатель 2 переменного тока "разомкнут", в этом случае состояние диода 9 и резистора 10 нельзя определить. Однако, если, кроме того, всякий раз, когда напряжение на выходе 14 выше порогового напряжения U_S, выполняется проверка, для того чтобы установить, несет ли выход 17 значение "1" квантования, затем возможно установить из этого, является ли диод 9 короткозамкнутым или прерывается ли резистор 13. Прерывание в резисторе 10 наоборот всегда интерпретируется, когда выключатель 2 переменного тока разомкнут. Эта процедура имеет преимущество в том, что возможно в пределах волны электрической сети установить, присутствует ли дефект компоненты рискованной безопасности и какое положение допускает выключатель 2 переменного тока. С точки зрения соображений безопасности может быть допустимо, если значения для Z отклоняются на + 1 от правильного значения. Более конкретно, тогда не требуется синхронизировать частоту импульсов квантования с напряжением электрической сети.

Фиг.5 изображает развитие схемы 1, с помощью которой можно контролировать множество выключателей 2 переменного тока. Особенностью этой схемы является то, что вторые резисторы 13 все берутся к общему выходу 14. Вместо цифровых компонент 12, 15 (фиг.1), которые могли бы использоваться, здесь используются транзисторные каскады 18, 19.

Фиг.6 изображает развитие схемы 1, в которой вход 11 первой цифровой компоненты 12 может также соединяться, как выход, а выход 14 второй цифровой компоненты 15 может также соединяться как вход. Вход 11 и выход 14 являются, следовательно, двунаправленными портами 20, 21. Контакт первого резистора 10 теперь соединяется с первым портом 20 посредством резистора 22, а с вторым портом 21 посредством дополнительного резистора 23. Конфигурация схемы по отношению к портам 20, 21 является поэтому симметричной, так что функция портов 20, 21 - "вход" или "выход" - является взаимозаменяемой. Поэтому повторение проверок, когда схема двух портов 20, 21 является взаимозаменяемой как вход и выход соответственно, означает, что также возможно проверять работоспособность цифровых компонент 12 и 15.

Схема 1 (фиг.1 и 6) дает преимущество над известными схемами в том, что, когда выключатель 2 переменного тока разомкнут, возможно подавлять напряжения переменного тока, которые соединяются по емкостной связи, в результате паразитных емкостей линии. Связанное напряжение переменного тока выпрямляется диодом 9. Емкости линии таким образом поляризуются, так что связанное напряжение переменного тока смещается в терминах постоянного тока на максимальную величину соединенного напряжения переменного тока. Диод 9 устроен таким образом, что связанное напряжение переменного тока имеет отрицательную составляющую постоянного напряжения. Напряжения переменного тока, которые соединяются по емкостной связи, не могут поэтому влиять на сигналы на выходе 17 первой цифровой компоненты.