способ защиты потребителей электроэнергии от импульсных перенапряжений

Формула изобретения

Способ защиты потребителей электроэнергии от импульсных перенапряжений, заключающийся в периодической коммутации во время действия импульсных перенапряжений цепи питания потребителей электроэнергии бесконтактным ключом и сглаживании импульсного напряжения с помощью фильтра, содержащего дроссель, включенный последовательно в цепь бесконтактного ключа, демпферный диод и конденсатор, включенный параллельно потребителю электроэнергии, причем упомянутую коммутацию осуществляют в соответствии со значением сигнала, пропорционального первой производной выходного напряжения по времени, отличающийся тем, что формируют сигнал, пропорциональный току дросселя, складывают его с сигналом, пропорциональным первой производной по времени выходного напряжения, выключают бесконтактный ключ в моменты достижения суммарным сигналом максимального значения, а включают - в моменты достижения минимального значения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области промышленной электроники и может быть использовано для защиты потребителей электроэнергии постоянного тока от воздействия импульсных перенапряжений, возникающих в питающей сети при коммутации ее нагрузок в эксплуатационных и аварийных режимах, наведенных грозовыми разрядами, а также для ограничения тока заряда сглаживающих и накопительных конденсаторов различного назначения, преимущественно в полупроводниковых источниках вторичного электропитания.

Известен способ защиты от импульсных перенапряжений [см., например: Глухов О.А. Оптимальная коммутация электрических цепей: Научное издание. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000, с.60, рис.18,б], основанный на различии частотного спектрального состава токов, потребляемых из сети, в нормальных эксплуатационных режимах работы потребителя электроэнергии и при воздействии импульсов перенапряжений. Сущность способа заключается в увеличении падения напряжения на ограничительном дросселе при протекании переменной составляющей тока, обусловленной импульсом перенапряжения в питающей сети. Способ обеспечивает эффективную защиту потребителей электроэнергии от импульсов сравнительно небольшой амплитуды (до 100-200 В) либо малой длительности (до 100-200 мкс). Параметры дросселя должны выбираться такими, чтобы возникающая во время импульса перенапряжения ЭДС самоиндукции компенсировала напряжение u _имп импульса в соответствии с выражением:

где W - число витков обмотки дросселя; S - сечение магнитопровода; В - магнитная индукция в магнитопроводе.

Амплитуда тока I_м дросселя, равного сумме токов потребителя электроэнергии и заряда конденсатора фильтра, не должна приводить к насыщению сердечника дросселя

где _э - эквивалентная относительная магнитная проницаемость магнитопровода; ₀ - магнитная проницаемость вакуума; l_ср - длина средней магнитной силовой линии магнитопровода.

Эти условия приводят к необходимости увеличения габаритных размеров и веса дросселя. Как показывают расчеты, при номинальном токе 10 А, амплитуде экспоненциального импульса 500 В длительностью 4 мс на уровне 0,5 от амплитуды масса дросселя превышает 40 кг. В переходных режимах (при включении и выключении, скачкообразных изменениях тока потребителя электроэнергии) из-за возбуждения колебательного процесса создаются большие пульсации напряжения и собственные всплески перенапряжения.

Известен способ защиты от импульсных перенапряжений [см., например: Глухов О.А. Оптимальная коммутация электрических цепей: Научное издание. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000, с.62, рис.20], основанный на формировании с помощью трансформатора, включенного последовательно с потребителем электроэнергии, напряжения, пропорционального импульсу перенапряжения и направленного встречно последнему. Повышение эффективности этого способа достигается за счет компенсации импульса перенапряжения трансформированным напряжением.

Недостатками этого способа также являются наличие колебательного процесса в переходных режимах и необходимость применения дросселя с еще большими массогабаритными показателями.

Известен также способ защиты от импульсных коммутационных перенапряжений [Глухов О.А. Оптимальная коммутация электрических цепей: Научное издание. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000, с.61, рис.19]. Сущность способа заключается в накоплении с помощью конденсатора энергии в течение времени, предшествующего появлению импульса перенапряжения, отключении потребителя электроэнергии от питающей сети на время действия импульса и питании потребителя за счет накопленной энергии.

Однако этот способ практически неприменим при больших мощностях потребителей электроэнергии (единицы киловатт и более) из-за необходимости накопления большого количества энергии, определяемой допустимым разрядом конденсатора за время импульса, а также критичности к длительности фронта импульса из-за инерционности транзистора и блока управления в устройствах, реализующих способ. Для обеспечения надежности при включении питания требуются дополнительные меры, обеспечивающие плавный заряд конденсатора.

Наиболее близким к заявленному (прототипом) является способ защиты от импульсных перенапряжений [см., например, патент РФ на изобретение N2264015, опубл. 10.11.2005, бюл. N31], сущность которого заключается в периодической коммутации во время действия импульсов перенапряжения цепи питания потребителя бесконтактным ключом и сглаживании импульсного напряжения с помощью индуктивно-емкостного фильтра, причем бесконтактный ключ включают в момент достижения минимального значения суммой сигналов, пропорциональных интегралу напряжения на обмотке дросселя и первой производной по времени выходного напряжения, а выключают - в момент достижения указанной суммы максимального значения.

Недостатком этого способа является низкая надежность устройств, реализующих способ, при токовых перегрузках. В установившемся режиме (при неизменных значениях напряжений и токов) управляющие сигналы включают бесконтактный ключ независимо от тока потребителя электроэнергии. Это обусловлено отсутствием непосредственной зависимости упомянутых сигналов от тока. Наиболее опасным является режим короткого замыкания, в котором выходное напряжение и его производная равны нулю.

Задачей изобретения является повышение надежности защиты потребителей электроэнергии от воздействия импульсов перенапряжения в питающей сети.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе защиты потребителей электроэнергии от импульсных перенапряжений, основанном на периодической коммутации цепи питания потребителя электроэнергии бесконтактным ключом и сглаживании импульсного напряжения с помощью фильтра, содержащего дроссель и конденсатор, управление бесконтактным ключом осуществляют в зависимости от тока дросселя и скорости изменения выходного напряжения.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в нем формируют сигнал, пропорциональный току дросселя, складывают этот сигнал с сигналом, пропорциональным первой производной по времени выходного напряжения, и в моменты достижения суммой максимального заданного значения осуществляют выключение, а минимального заданного значения - осуществляют включение бесконтактного ключа.

Рассмотрим пример реализации способа.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ защиты потребителей электроэнергии от импульсных перенапряжений. Устройство содержит последовательно соединенные бесконтактный ключ 1 (S1), дроссель 2 (L1) и конденсатор 3 (С2) фильтра, а также демпферный диод 4 (VD1), шунт 5 (R_ш ), подключенный к нему дифференциальный усилитель 6, дифференцирующее устройство 7 (dU/dt), подключенное к конденсатору 3, сумматор 8, входы которого соединены с выходами дифференциального усилителя 6 и дифференцирующего устройства 7. Выход сумматора 7 через пороговый элемент 9 (например, триггер Шмитта) подключен к управляющему входу бесконтактного ключа 1. Потребитель 10 (R _н) электроэнергии подключен к выходу фильтра, т.е. параллельно конденсатору 3.

Сущность предложенного способа заключается в ограничении скорости нарастания выходного напряжения при воздействии на входе импульса перенапряжения путем периодической коммутации цепи питания потребителя 10 электроэнергии на достаточно высокой частоте с последующим сглаживанием импульсного напряжения LC-фильтром. Коэффициент заполнения сигнала управления коммутирующим бесконтактным ключом 1 регулируют в зависимости от скорости увеличения выходного напряжения (первой производной этого напряжении по времени) и тока дросселя 2 сглаживающего фильтра.

В соответствии с предложенным способом устройство работает следующим образом. В установившемся режиме работы (при постоянных значениях напряжения питания U_пит и тока потребителя 10 электроэнергии) сигнал на выходе дифференцирующего устройства 7 равен нулю. При токе потребителя 10 электроэнергии, имеющем допустимое значение, сигнал на выходе дифференциального усилителя 6, а следовательно, и сумматора 8 не превышает верхнего порога срабатывания порогового элемента 9, ключ 1 находится во включенном состоянии. К потребителю 10 электроэнергии приложено практически полное напряжение питания.

При поступлении на вход устройства импульса перенапряжения входное напряжение U_пит устройства резко увеличивается, конденсатор 3 начинает дополнительно заряжаться током через дроссель 2. Нарастание тока заряда конденсатора 3 приводит к увеличению падения напряжения на шунте 5 и сигнала на выходе дифференциального усилителя 6. Увеличение выходного напряжения приводит к появлению сигнала на выходе дифференцирующего устройства 7. Увеличивается сигнал и на выходе сумматора 8. В момент достижения суммарным сигналом верхнего порога порогового элемента 9 он срабатывает и выключает ключ 1, происходит отключение потребителя 10 электроэнергии от источника питания. Ток дросселя 2 начинает уменьшаться, что приводит к изменению полярности ЭДС самоиндукции дросселя 2 на противоположную. Открывается демпферный диод 4, пропуская через себя ток дросселя 2, равный сумме токов потребителя 10 электроэнергии и заряда конденсатора 3. Падение напряжения на шунте 5, а следовательно, и выходное напряжение дифференциального усилителя 6 начинают уменьшаться. Это приводит к уменьшению сигнала на выходе сумматора 8. В момент достижения этим сигналом значения нижнего порога переключения порогового элемента 9 последний включает ключ 1. К дросселю 2 вновь прикладывается входное напряжение U_пит, ток дросселя 2 опять увеличивается.

Описанный процесс периодически повторяется. Частота коммутации ключа 1 определяется скоростью изменения тока дросселя 2, зависящей от его индуктивности. Выходное напряжение увеличивается с почти постоянной скоростью, определяемой глубиной отрицательной обратной связи по первой производной выходного напряжения.

Такая работа продолжается до тех пор, пока напряжение импульса перенапряжения не уменьшится до значения, при котором ток заряда конденсатора 3 становится достаточно малым. При этом увеличение выходного напряжения практически прекращается, и выходной сигнал сумматора 8 не достигает верхнего порога переключения порогового элемента 9. Ключ 1 остается включенным, устройство переходит в установившийся режим работы.

Амплитуда выброса выходного напряжения устройства (на потребителе 10 электроэнергии) определяется скоростью нарастания выходного напряжения и длительностью импульса перенапряжения. Так как выходное напряжение нарастает со скоростью, определяемой глубиной обратной связи по первой производной выходного напряжения, амплитуда импульса перенапряжения на величину выброса выходного напряжения влияния не оказывает. Выбором глубины упомянутой обратной связи можно обеспечить любое достаточно малое значение выброса выходного напряжения.

При включении питания U_пит скачок этого напряжения воспринимается устройством аналогично импульсу перенапряжения, и оно обеспечивает плавное увеличение выходного напряжения от нуля до максимального значения, равного питающему напряжению за вычетом падения напряжения на бесконтактном ключе 1 и дросселе 2.

В аварийных ситуациях, например в режимах перегрузки или при коротких замыканиях в цепи нагрузки, увеличение тока потребителя 10 электроэнергии приводит к увеличению выходного сигнала дифференциального усилителя 6, а следовательно, и сумматора 7. При достижении напряжением сумматора 7 значения, соответствующего верхнему порогу переключения порогового элемента 9, происходит выключение ключа 1. Последующее уменьшение тока дросселя 2 до значения, соответствующего нижнему порогу переключения порогового элемента 9, приводит к новому включению ключа 1. В результате в цепи потребителя 10 электроэнергии поддерживается практически неизменный ток, соответствующий полусумме уровней переключения порогового элемента 9, т.е. устройство переходит в режим ограничения тока при соответствующем снижении выходного напряжения. Такое ограничение тока происходит при любом снижении сопротивления потребителя 10 электроэнергии, включая режим короткого замыкания. При этом токи элементов схемы устройства не достигают аварийных значений.

Таким образом, предложенный способ осуществляет эффективное ограничение импульсов перенапряжения, возникающих в питающей сети, и токов в аварийных ситуациях, включая режим короткого замыкания, до безопасных значений, благодаря чему обеспечивает более высокую надежность защиты потребителей электроэнергии.