устройство автоматической защиты электроприемников от аварийных значений напряжений в электрической сети

Формула изобретения

Устройство автоматической защиты электроприемников от аварийных значений напряжений в электрической сети, содержащее узел коммутации и узел индикации, отличающееся тем, что в него дополнительно введены включенные в цепь электрической сети, параллельную цепи, к которой коммутируется нагрузка, выпрямитель напряжения сети, делитель напряжения, два компаратора, формирователь порога верхнего уровня, формирователь порога нижнего уровня, микропроцессор, при этом вход устройства автоматической защиты электроприемников соединен со входом выпрямителя напряжения сети и первым входом узла коммутации, выход выпрямителя напряжения сети соединен со входом делителя напряжения, выход которого соединен с первыми входами двух компараторов, включенных параллельно друг другу, второй вход одного из компараторов соединен с выходом формирователя порога верхнего уровня, а второй вход другого компаратора соединен с выходом формирователя порога нижнего уровня, выход каждого из компараторов соединен с соответствующим ему входом микропроцессора, первый выход которого соединен со вторым входом узла коммутации, а второй выход микропроцессора соединен со входом узла индикации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области автоматики и может быть использовано для защиты приемников электрической энергии от аварийных значений напряжений в электрических сетях.

Известно устройство контроля напряжения сети (А.Бутов, научно-технический журнал «Схемотехника» № 2, 2003 г.), выполняющее функции аудиовизуального контроля за напряжением в сети, содержащее компаратор и блок индикации. Устройство имеет следующие недостатки:

- при повышении (понижении) напряжения сети выше (ниже) установленных значений устройство сигнализирует аудиовидеосредствами о недопустимом значении уровня напряжения, подводимого к электроприемнику, но не отключает электроприемник от сети, что обусловливает возможность выхода электроприемника из строя;

- входные цепи питания устройства контроля напряжения сети не рассчитаны на возможность работы при длительном воздействии повышенного уровня напряжения в сети.

Известен автомат защиты сетевой аппаратуры от "скачков" напряжения (И.Нечаев, Радио, 1996, № 10, с.48), содержащий блок индикации и узел коммутации. Недостатками устройства являются:

- инерционность срабатывания;

- низкий уровень помехоустойчивости, т.к. решение об отключении питающей сети принимается на основании результатов анализа только одной полуволны сетевого напряжения;

- слабые коммутирующие возможности, ограниченные значениями технических характеристик электромагнитного реле, применяемого в автоматике защиты.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство защиты от перепадов напряжения в электрической сети (А.Шрайбер, Радио, 2001, № 2, с.46), содержащее устройство коммутации и блок индикации. Недостатки этого устройства заключаются в следующем:

- устройство работает в "триггерном" режиме и, после восстановления допустимых значений параметров сети, не обеспечивает автоматическое подключение нагрузки к питающей электрической сети;

- входные цепи питания устройства защиты не рассчитаны на возможную работу при длительном воздействии повышенного уровня напряжения в сети;

- устройство защиты обладает низкой помехоустойчивостью, обусловленной срабатыванием устройства даже при относительно кратковременном повышении питающего напряжения.

Достигаемый технический результат, реализуемый предлагаемым устройством автоматической защиты электроприемников от аварийных значений напряжений в электрической сети, заключается в том, что:

- повышается помехоустойчивость устройства к сетевым импульсным помехам;

- обеспечивается автоматическое не только отключение, но и подключение нагрузки к питающей электросети на основе объективного автоматического анализа параметров качества электрической сети за программно установленное число полупериодов изменений сетевого напряжения;

- обеспечивается гибкость в задании диапазона и уровней допустимых значений напряжений в электрической сети, в пределах которых обеспечивается автоматическое подключение нагрузки к электрической сети, а также в задании времени отключения, подключения и задержки на подключение нагрузки к электрической сети в зависимости от потребностей;

- обеспечивается возможность совершенствования устройства автоматической защиты электроприемников от аварийных. значений напряжений в электрической сети и придания ему дополнительных функций без изменения схемы аппаратной части устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в схеме устройства автоматической защиты электроприемников от аварийных значений напряжений в электрической сети используется программируемый микропроцессор, который включен в цепь электрической сети, параллельную цепи, к которой коммутируется нагрузка. При этом микропроцессор по заданной программе анализирует сигналы, поступающие на его входы с выходов двух компараторов, включенных перед микропроцессором параллельно друг другу в ту же электрическую цепь, что и микропроцессор. На первые входы компараторов подается выпрямленное и уменьшенное по амплитуде напряжение электрической сети. На второй вход одного из компараторов подается электрическое напряжение, значение которого устанавливает порог верхнего предельно допустимого уровня, а на второй вход другого компаратора подается электрическое напряжение, значение которого устанавливает порог нижнего предельно допустимого уровня напряжений, подаваемых на нагрузку. По результатам анализа сигналов от компараторов микропроцессор определяет качество напряжения электрической сети и формирует управляющие сигналы на отключение или подключение нагрузки к электрической сети в моменты времени, определяемые программой, записанной в резидентную память программ микропроцессора.

Сущность изобретения состоит в том, что предлагается устройство автоматической защиты электроприемников от аварийных значений напряжений в электрической сети, содержащее электрически связанные выпрямитель напряжения сети, делитель напряжения, два компаратора, формирователь порога нижнего уровня, формирователь порога верхнего уровня, микропроцессор, узел индикации, узел коммутации.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, на которой использованы следующие обозначения:

1 - выпрямитель напряжения сети;

2 - делитель напряжения;

3 - компаратор;

4 - формирователь порога верхнего уровня;

5 - компаратор;

6 - формирователь порога нижнего уровня;

7 - микропроцессор;

8 - узел индикации;

9 - узел коммутации.

В качестве выпрямителя напряжения сети может использоваться однополупериодный выпрямитель напряжения на полупроводниковом диоде, например, 1N4007. В качестве делителя напряжения могут использоваться последовательно соединенные резисторы типа ОМЛТ или им подобные. В качестве компараторов могут быть использованы микросхемы типа LM324N или 1401УД1. В качестве формирователей порогов верхнего или нижнего уровней могут быть использованы подстроечные резисторы типа СП3-19а или им подобные. В качестве микропроцессора может быть использован однокристальный микроконтроллер типа 12С508А или другой микропроцессор. В качестве узла индикации может быть использован набор светодиодов. В качестве узла коммутации может использоваться электромагнитное реле типа BS-901AS или ему подобное.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. Полуволны сетевого напряжения поступают на выпрямитель напряжения сети 1, с выхода которого однополупериодное сетевое напряжение поступает на вход делителя напряжения 2. Делитель напряжения 2 делит входное напряжение таким образом, что на первые входы компараторов 3 и 5 поступает с его выхода напряжение, не превышающее допустимые значения входных напряжений компараторов 3 и 5. На второй вход компаратора 3 поступает напряжение с выхода формирователя порога верхнего уровня 4, пропорциональное задаваемому максимально допустимому значению напряжения, подаваемого на нагрузку. На второй вход компаратора 5 подается напряжение с выхода формирователя порога нижнего уровня 6, пропорциональное задаваемому минимально допустимому значению напряжения, подаваемого на нагрузку. В том случае, если значение входного напряжения электрической сети находится в пределах между заданными значениями, соответствующими порогам верхнего и нижнего уровней, то на выходе компаратора 5, на второй вход которого поступает напряжение от формирователя порога нижнего уровня 6, будут иметь место периодические прямоугольные импульсы, а на выходе компаратора 3, на второй вход которого поступает напряжение от формирователя порога верхнего уровня 4, сигналы будут отсутствовать. Это иллюстрируется на фиг.2. На фиг.2 использованы следующие обозначения:

U - напряжение с выхода делителя напряжения 2 (фиг.1), поступающее на первые входы компараторов 3 и 5;

U_н - значение напряжения на входах компаратора 5 (фиг.1), соответствующее заданному значению порога нижнего уровня;

U_В - значение напряжения на входах компаратора 3 (фиг.1), соответствующее заданному значению порога верхнего уровня;

U₁, U₂ - электрические сигналы на выходах компараторов 3 и 5 (фиг.1) соответственно.

Такое сочетание выходных сигналов на выходах компараторов 3 и 5 (фиг.1) анализируется микропроцессором 7, который, воздействуя на узел коммутации 9, вызывает замыкание его контактов и тем самым обеспечивает подключение нагрузки к электрической сети.

В том случае, если уровень входного напряжения электрической сети находится ниже заданного значения порога нижнего уровня, то на выходах компараторов 3 и 5 (фиг.1) сигналы будут отсутствовать, а значит, будут отсутствовать входные сигналы на входах микропроцессора 7. В этом случае микропроцессор 7, воздействуя на узел коммутации 9, вызывает размыкание его контактов и тем самым исключает прохождение напряжения электрической сети к нагрузке.

В том случае, если уровень входного напряжения находится выше заданного значения порога верхнего уровня, то на выходах компараторов 3 и 5 (фиг.1) будут иметь место прямоугольные импульсы, длительность которых будет определяться временем, в течение которого полуволна входного напряжения компаратора (3 или 5) превышает установленный порог срабатывания соответствующего компаратора. Этот случай иллюстрируется на фиг.3. Обозначения на фиг.3 соответствуют обозначениям, использованным на фиг.2. При наличии на входах микропроцессора 7 (фиг.1) указанных последовательностей импульсных сигналов, поступающих с выходов компараторов 3 и 5 соответственно, микропроцессор 7, воздействуя на узел коммутации 9, вызывает размыкание его контактов и тем самым исключает прохождение напряжения электрической сети к нагрузке.

Применение микропроцессора 7 (фиг.1) в качестве управляющего элемента устройства автоматической защиты электроприемников от аварийных значений напряжений в электрической сети позволяет достичь высокой гибкости в анализе параметров входного напряжения электрической сети. В зависимости от конкретных условий решение об отключении или подключении нагрузки к электрической сети может приниматься микропроцессором 7 (фиг.1) на основе анализа заданного, заранее установленного числа полуволн j сетевого напряжения ( где N - число полуволн), каждой из которых на выходах компараторов 3 и 5 соответствуют информативные признаки либо повышенного, либо пониженного, либо номинального значения напряжения электрической сети. Возможно принятие решения об отключении нагрузки от электрической сети на основе анализа всего одной полуволны сетевого напряжения. Однако в этом случае пострадает помехоустойчивость устройства: любой "выброс" или "провал" сетевого напряжения будет вызывать срабатывание устройства автоматической защиты электроприемников, даже если действующее значение напряжения электрической сети находится в целом в пределах установленных допусков. Помехи такого рода характерны для электрических сетей, расположенных вблизи промышленных предприятий и других крупных потребителей электроэнергии. По этой причине для повышения помехоустойчивости устройства автоматической защиты электроприемников число N выбирается в пределах 3...7. Возможно программное изменение параметра N, исходя из конкретных условий применения устройства автоматической защиты электроприемников от аварийных значений напряжений электрической сети. Иными словами, если каждая из N подряд идущих полуволн сетевого напряжения будет вызывать формирование на выходах компараторов 3 и 5 (фиг.1) соответствующего информативного признака повышенного или пониженного значения напряжения электрической сети, то только в этом случае будет формироваться команда на отключение нагрузки от электрической сети. Однако устройство автоматической защиты электроприемников может отключать нагрузку и в случае однократного "выброса" напряжения электрической сети, длительность которого t превышает некоторую допустимую величину t_доп. Эпюры напряжений на входах и выходах компараторов 3 и 5 (фиг.1) для случая t>t _доп представлены на фиг.4, на которой во входном напряжении имеет место однократная импульсная помеха большой длительности. На практике t имеет длительность порядка 7 мс. Наличие таких помех является, как правило, свидетельством серьезных неполадок в электрической сети. После отключения нагрузки от электрической сети наступает так называемый "испытательный срок" - интервал времени, задаваемый программно, в течение которого микропроцессор анализирует сигналы с выходов компараторов 3 и 5 (фиг.1), соответствующие каждой полуволне напряжения электрической сети. Если в течение "испытательного срока" значения амплитуд полуволн напряжения электрической сети, поступающего с выхода выпрямителя напряжения сети 1 (фиг.1) на входы компараторов 3 и 5, будут находиться в пределах, заданных формирователями порогов верхнего и нижнего уровня (4 и 6 на фиг.1 соответственно), то микропроцессор 7 выдает команду на узел коммутации (9), по которой нагрузка подключается к электрической сети. Если в течение конкретного "испытательного срока" имели место "выбросы" или "провалы" сетевого напряжения за пределы установленных допусков, то, по окончании этого "испытательного срока", начинается повторный "испытательный срок". Длительность "испытательного срока" задается программно и может устанавливаться от нескольких секунд до нескольких минут и более, в зависимости от конкретных условий. При этом может варьироваться длительность первого и последующих "испытательных сроков".

Каждое состояние, в котором может находиться устройство автоматической защиты электроприемников от аварийных значений напряжений в электрической сети, отображается узлом индикации, информирующим пользователя о состоянии параметров электрической сети.

Анализ научно-технической литературы позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критериям технической новизны и практической применимости.