Устройство для защиты электрических цепей от токов перегрузки и коротких замыканий

Устройство для защиты электрических цепей от токов перегрузки и коротких замыканий

Реферат

 

Устройство для защиты электрических цепей от токов перегрузки и коротких замыканий применяется в электротехнике для защиты электрических цепей генераторов переменного напряжения и ИВЭ от токов перегрузки и коротких замыканий. Цель: расширение функциональных возможностей и уменьшение потерь мощности. В устройстве блок сравнения сравнивает стабилизированное напряжение и преобразованное переменное напряжение вспомогательной обмотки трансформатора формирователя переменного напряжения, который в начальный момент времени запитывается с выхода стабилизатора напряжения через диод, а блок сравнения запитывается от напряжения с выхода блока задержки. Положительный эффект: возможность применения как в генераторах переменного напряжения, так и в ИВЭ, где появляется возможность строить одну цепь защиты для симметричного выходного напряжения; увеличение быстродействия; уменьшение потерь мощности. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве устройства защиты электрических цепей от токов перегрузки и коротких замыканий в генераторах переменного напряжения и в источниках вторичного электропитания ИВЭ, работающих при входных напряжениях существенно больше выходных, когда требуется обеспечить надежность, высокое быстродействие, малые потери мощности.

Известны устройства защиты источников вторичного электропитания ИВЭ, основанные на том, что в режиме короткого замыкания напряжения на обмотках силового трансформатора значительно уменьшаются. Одна из таких схем приведена в [1]. Устройство содержит вспомогательную обмотку в силовом трансформаторе, напряжение с которой поступает на преобразователь переменного напряжения в постоянное, стабилитрон, диод, пару силовых транзисторов, цепь управления током базы с соответствующими связями.

В установившемся режиме работы ИВЭ постоянное напряжение на выходе преобразователя переменного напряжения в постоянное открывает стабилитрон и диод, что позволяет протекать току базы силовых транзисторов. При коротком замыкании напряжение на выходе вспомогательной обмотки трансформатора уменьшается, диод закрывается, препятствуя протеканию токов базы, обеспечивая защиту транзисторов.

Устройство можно использовать и в генераторах переменного напряжения. Недостатком устройства является необходимость использования сложной схемы запуска с шунтированием диода на время, пока на обмотках трансформатора не появится напряжение. Устройство не срабатывает при плавном увеличении тока при перегрузках.

Известно устройство защиты ИВЭ с токоизмерительным резистором [2], содержащее выходной силовой трансформатор, выпрямительный фильтр, датчик тока в виде резистора R_т, блок сравнения в виде компаратора, силовой транзистор, схема управления базовым током с соответствующими связями.

При отсутствии перегрузки напряжение на информационном входе меньше порогового напряжения блока сравнения, при этом выходное напряжение блока сравнения не оказывает влияния на работу ИВЭ. Если падение напряжения на резисторе R_т, вызванное током перегрузки, превысит порог срабатывания, блок сравнения переключится, схема управления закроет силовой транзистор, и выходное напряжение ИВЭ будет равно нулю.

Для приведения схемы в исходное состояние необходимо снять и снова подать напряжение питания.

Устройство можно использовать и в генераторах переменного напряжения. Недостатком устройства являются сравнительно большие потери потребляемой мощности.

Известно устройство [3] защиты с использованием цифровых ИМС, содержащее модулятор, формирователь импульсов, два триггера, дифференцирующая RC цепь и два логических элемента И-НЕ с соответствующими связями. Импульсы модулятора проходят первый триггер и два логических элемента И-НЕ, сигналы с выходом которых управляют работой противоположных плеч преобразователя. При подаче на вход S второго триггера через дифференцирующую цепь напряжения питания +5 В с выхода триггера логическая "1" поступает на входы элементов И-НЕ, на выходах которых при этом импульсы инвертируются. При перегрузке на выходе формирователя импульсов появляется сигнал, который переключает второй триггер, на выходе которого появляется логический "0", запрещающий прохождение импульсов через логические элементы И-НЕ, ИВЭ отключается.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство [4] для защиты цепи постоянного тока от перегрузок и коротких замыканий, содержащее датчик тока, первый и второй источники опорного напряжения, первый и второй блоки сравнения, блок задержки, первый и второй электронные ключи, стабилизатор напряжения на резисторе и стабилитроне, ограничительный резистор, реле с группой контактов, нагрузку с соответствующими связями.

В рабочем состоянии напряжение, снимаемое с датчика тока больше первого опорного напряжения, и выходной ток, протекая через контакты реле, поступает в нагрузку. При увеличении рабочего тока до значения тока перегрузки, срабатывает реле, и выходной ток поступает в нагрузку через ограничительный резистор.

Недостатками устройства являются: невысокое быстродействие, определяемое временем переключения контактов реле; ограничения по напряжению и току из-за протекания токов через контакты реле в нормальном режиме работы устройства; необходимость использования датчика тока в цепи каждого из выходных напряжений ИВЭ; сравнительно большие потери мощности из-за использования датчика тока в силовой цепи; невозможность применения в генераторах переменного напряжения.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, а также снижение потерь мощности и увеличение быстродействия.

Цель в устройстве для защиты электрических цепей от токов перегрузки и коротких замыканий, содержащем стабилизатор напряжения, блок сравнения, блок задержки, первый источник опорного напряжения и нагрузку, причем выход стабилизатора напряжения соединен с первым входом блока сравнения, достигается тем, что в него введены диод, формирователь переменного напряжения и преобразователь переменного напряжения в постоянное, причем выход источника опорного напряжения соединен со входом стабилизатора напряжения, выход которого соединен со входом блока задержки и с первым выводом диода, второй вывод которого соединен с выходом преобразователя переменного напряжения в постоянное, со вторым входом блока сравнения и с первым входом формирователя переменного напряжения, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, третий вход которого соединен с выходом блока задержки, первый выход формирователя переменного напряжения соединен с нагрузкой, а второй выход соединен со входом преобразователя переменного напряжения в постоянное; формирователь переменного напряжения содержит широтно-импульсный модулятор ШИМ, логический элемент И-НЕ, усилитель мощности с трансформаторным выходом, источник управляющего напряжения и источник опорного напряжения, первый вход ШИМ соединен со входом формирователя переменного напряжения, второй вход ШИМ соединен с выходом источника управляющего напряжения, а выход соединен с первым входом логического элемента И-НЕ, второй вход которой является вторым входом формирователя переменного напряжения, выход логического элемента И-НЕ соединен с первым входом усилителя мощности с трансформаторным выходом, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, первый и второй выходы усилителя мощности с трансформаторным выходом являются, соответственно, первым и вторым выходами формирователя переменного напряжения; преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит выпрямительный диод и интегрирующую RC цепь, причем входом преобразователя переменного напряжения в постоянное является первый вывод выпрямительного диода, второй вывод которого соединен со входом интегрирующей RC цепи, выход которой является выходом преобразователя переменного напряжения в постоянное.

Сущность изобретения заключается в том, что блок сравнения сравнивает стабилизированное напряжение и преобразованное переменное напряжение вспомогательной обмотки трансформатора формирователя переменного напряжения, который в начальный момент времени запитывается с выхода стабилизатора напряжения через диод, а блок сравнения запитывается от напряжения с выхода блока задержки. Изобретение можно использовать в мощных генераторах переменного тока и во вторичных источниках электропитания ИВЭ.

Функциональная схема устройства для защиты электрических цепей от токов перегрузки и коротких замыканий представлена на фиг. 1.

Устройство содержит: первый источник 1 опорного напряжения; стабилизатор 2 напряжения; диод 3; формирователь 4 переменного напряжения; преобразователь 5 переменного напряжения в постоянное; блок 6 сравнения; блок 7 задержки; нагрузку 8.

Блоки в устройстве соединены следующим образом. Выход первого источника 1 опорного напряжения подключен к входу стабилизатора 2 напряжения. Выход стабилизатора 2 напряжения соединен с первым входом блока 6 сравнения, с входом блока 7 задержки и первым выводом диода 3. Второй вывод диода 3 соединен со вторым входом блока 6 сравнения, с выходом преобразователя 5 переменного напряжения в постоянное и с первым входом формирователя 4 переменного напряжения. Первый выход формирователя 4 переменного напряжения соединен с нагрузкой 8. Второй выход формирователя 4 переменного напряжения соединен со входом преобразователя 5 переменного напряжения в постоянное. Выход блока 6 сравнения соединен со вторым входом формирователя 4 переменного напряжения, являющимся управляющим.

Формирователь 4 переменного напряжения может быть выполнен по различным схемам. Если предлагаемое устройство защиты используется для генератора переменного напряжения, то на первом и втором выходах формирователя 4 формируют напряжения переменного тока, силовое для нагрузки и слаботочное в цепь управления. Если предлагаемое устройство защиты используется для источника вторичного электропитания, то на первом выходе формируют напряжение постоянного тока для нагрузки, а на втором выходе формирователя 4 формируют напряжения переменного тока слаботочное в цепь управления.

Функциональная схема конкретной реализации формирователя 4 переменного напряжения представлена на фиг. 2.

Формирователь содержит: широтно-импульсный модулятор 9 ШИМ; логический элемент 10 И-НЕ; усилитель 11 мощности с трансформаторным выходом; источник 12 управляющего напряжения; источник 13 опорного напряжения.

Блоки в формирователе соединены следующим образом.

Первый вход ШИМ 9, являющийся входом питания, соединен с первым входом формирователя 4 переменного напряжения, который является входом питания, а второй вход ШИМ 9, являющийся входом управления, соединен с выходом источника 12 управляющего напряжения. (Управляющее напряжение в случае генератора переменного напряжения получают при помощи преобразования переменного напряжения на первом выходе усилителя 11 мощности с трансформаторным выходом, а в случае ИВЭ при помощи преобразования выходного напряжения постоянного тока, на фиг. 1 - 3 не показано.) Выход ШИМ 9 соединен с первым входом логического элемента 10 И-НЕ, второй вход которого является вторым входом формирователя 4 переменного напряжения. Второй вход формирователя 4 переменного напряжения является управляющим. Выход логического элемента 10 И-НЕ соединен с первым входом усилителя 11 мощности с трансформаторным выходом, второй вход которого, является входом электропитания, соединен с выходом источника 13 опорного напряжения, которое может быть равно напряжению U₁. Первый и второй выходы усилителя 11 мощности с трансформаторным выходом являются первым и вторым выходами формирователя 4 переменного напряжения.

Функциональная схема преобразователя 5 переменного напряжения в постоянное представлена на фиг. 3.

Преобразователь содержит: выпрямительный диод 14; интегрирующую RC цепь 15.

Блоки в преобразователе 5 соединены следующим образом.

Входом преобразователя 5 переменного напряжения в постоянное является первый вывод выпрямительного диода 14, второй вывод которого соединен со входом интегрирующей RC цепи 15, выход которой является выходом преобразователя 5 переменного напряжения в постоянное.

Устройство для защиты электрических цепей от токов перегрузки и коротких замыканий работает следующим образом.

В момент включения устройства напряжение U1 постоянного тока с выхода источника 1 опорного напряжения поступает на вход стабилизатора 2 напряжения, на выходы которого получают стабилизированное напряжение U2 постоянного тока, которое запитывает все слаботочные цепи формирователя 4 переменного напряжения, для питания силовых цепей служит источник опорного напряжения.

Устройство может работать при положительном или отрицательном напряжении на выходе стабилизатора 2. Рассмотрим работу устройства при отрицательном напряжении U2. В этом случае первый вывод диода 3 является катодом, а второй вывод - анодом. Напряжение U3 на втором выводе диода в первоначальный момент времени равно U3 = U2-Uд, где Uд - падение напряжения на диоде 3.

Напряжение U3 поступает на первый вход формирователя 4 переменного напряжения, и на первом выходе усилителя 11 мощности с трансформаторным выходом, то есть а силовой обмотке и нагрузке 8 получают переменное напряжение U4-1, которое в дальнейшем можно преобразовать в выходное напряжение ИВЭ (на фиг. 1 не показано). В это же время на втором выходе формирователя 4 переменного напряжения, то есть на выходе вспомогательной обмотки трансформатора усилителя 11 мощности получают переменное напряжение U4-2, которое проходит через выпрямительный диод 14, интегрирующую RC цепь 15 и преобразуется в постоянное напряжение U5 отрицательного знака на выходе преобразователя 5, при этом первый вывод выпрямительного диода является катодом, второй вывод - анодом. Параметры вспомогательной обмотки трансформатора и элементов преобразователя 5 выбирают такими, чтобы отрицательное напряжение U5 было по модулю больше напряжения U2.

В этом случае диод 3 закрывается, и на первый вход формирователя 4 переменного напряжения начинает поступать напряжение U3=U5, при этом |U5| > | U2|.

Напряжение U7 на выходе блока 7 задержки является питающим для блока 6 сравнения. В интервале времени от момента включения устройства до момента времени установления напряжения |U5| > |U2|, напряжение U7 близко к нулю, поэтому на выходе блока 6 сравнения в этом время напряжение U6 также близко к нулю. Для отрицательной логики логического элемента 10 И-НЕ напряжение U6= 0 является логической "1", поэтому на выходе логического элемента 10 И-НЕ импульсы с выхода ШИМ инвертируются и поступают на вход усилителя 11 мощности с трансформаторным выходом. То есть, в начальный момент времени на обмотках трансформатора усилителя 11 мощности формируются переменные напряжения и при соотношении напряжений |U2| > |(U3=U5)|.

В рабочем режиме устанавливается |U5| > |U2|, при этом напряжение U7 достигает питающего блок 6 сравнения напряжения U2, но на выходе блока 6 сравнения сохраняется напряжение U6 логической "1", которое разрешает прохождение импульсов на вход усилителя 11 мощности.

Если ток в нагрузке 8 превысит значение порогового тока или возникнет режим короткого замыкания, то напряжение на выходе вспомогательной обмотки упадет, напряжение U5 на выходе преобразователя 5 переменного напряжения в постоянное также уменьшится до величины напряжения U2. При этом диод 3 открывается, а на выходе блока 6 сравнения устанавливается напряжение U6=U2, соответствующее логическому "0", которое поступает на логический элемент 10 И-НЕ, на выходе которого исчезают импульсы и устанавливается напряжение U10, близкое к нулю. На первом и втором выходах усилителя 11 мощности с трансформаторным выходом также устанавливаются напряжения, близкие к нулю.

Чтобы вернуть устройство в исходное состояние после устранения перегрузки или устранения режима короткого замыкания, следует выключить питание U1 и снова его включить.

Таким образом, расширяются функциональные возможности устройства по сравнению с прототипом, так как возникает возможность его применения как в генераторах переменного напряжения, так в ИВЭ. В рабочем режиме устройство не потребляет тока от источника напряжения U1, что позволяет снизить потери мощности. Для ИВЭ можно строить одну цепь защиты для симметричного выходного напряжения от единой вспомогательной обмотки трансформатора усилителя мощности.

В устройстве использованы параметрический стабилизатор, блок задержки в виде RC цепи и стандартные блоки, известные в литературе [3]: в формирователе 4 переменного напряжения ШИМ выполнен аналогично приведенному в [3б], а усилитель 11 мощности с трансформаторным выходом выполнен аналогично приведенному в [3в]; блок 6 сравнения выполнен на ОУ типа КР1401УД2А Источники информации 1. Мощные транзисторные устройства повышенной частот/А.А. Алексанян, Р. Х. Бальян, М.А. Сиверс и др. - Л. Энергоатомиздат, 1989 г. 176 с.

2. Мкртычян Ж. А. Электропитание электронно-вычислительных машин. - М. Энергия, 1980 г. - 208 с.

3. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992 г. - а) 171 с. б) 94 - 95 с., в) 169 с.

4. А.с. СССР, N 1390685, H 02 H 3/08, Опубл. 1988 г., Бюл. 15

Формула изобретения

1. Устройство для защиты электрических цепей от токов перегрузки и коротких замыканий, содержащее стабилизатор напряжения, блок сравнения, блок задержки, источник опорного напряжения и нагрузку, причем выход стабилизатора напряжения соединен с первым входом блока сравнения, отличающееся тем, что в него введены диод, формирователь переменного напряжения и преобразователь переменного напряжения в постоянное, причем выход первого источника опорного напряжения соединен с входом стабилизатора напряжения, выход которого соединен с входом блока задержки и с первым выводом диода, второй вывод которого соединен с выходом преобразователя переменного напряжения в постоянное, с вторым входом блока сравнения и с первым входом формирователя переменного напряжения, второй вход которого соединен с выходом блока сравнения, третий вход которого соединен с выходом блока задержки, первый выход формирователя переменного напряжения соединен с нагрузкой, а второй выход соединен с входом преобразователя переменного напряжения в постоянное.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь переменного напряжения содержит широтно-импульсный модулятор ШИМ, логический элемент И-НЕ, усилитель мощности с трансформаторным выходом, источник управляющего напряжения и второй источник опорного напряжения, первый вход ШИМ соединен с первым входом формирователя переменного напряжения, второй вход ШИМ соединен с выходом источника управляющего напряжения, а выход соединен с первым входом логического элемента И-НЕ, второй вход которого является вторым входом формирователя переменного напряжения, выход логического элемента И-НЕ соединен с первым входом усилителя мощности с трансформаторным выходом, второй вход которого соединен с выходом второго источника опорного напряжения, первый и второй выходы усилителя мощности с трансформаторным выходом являются соответственно первым и вторым выходами формирователя переменного напряжения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит выпрямительный диод и интегрирующую RC-цепь, причем входом преобразователя переменного напряжения в постоянное является первый вывод выпрямительного диода, второй вывод которого соединен с входом интегрирующей RC-цепи, выход которой является выходом преобразователя переменного напряжения в постоянное.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3