Устройство для защиты и контроля мощности активной нагрузки

 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для защиты и контроля мощности активной нагрузки в процессе ее эксплуатации. Цель изобретения - повышение надежности устройства . Новым в устройстве является ввод трансформатора тока, узла коммутации на транзисторах, а также новые связи элементов схемы. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

6 (21) 4822536/07 (22) 03.05.90 (46) 30,08,92, Бюл, N 32 (71) Кишиневский завод "Мезон" им. 60-летия СССР (72) Ю.Н.Чеховский (56) Авторское с видетел ьство С СС P

N1677766,,кл,,Н 02 Н 5/04, 1989. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ И КОНТРОЛЯ МОЩНОСТИ АКТИВНОЙ НАГРУЗКИ

Изобретение относится к технической физике, преимущественно в области защиты, ограничения и контроля электрических величин, и может быть использовано. для защиты и контроля мощности активной нагрузки в процессе ее эксплуатации.

Известно устройство защиты и контроля мощности активной нагрузки, содержащее датчик тока на резисторе, выпрямитель, преобразующий напряжение датчика тока в постоянное, узел контроля, на который поступает это напряжение в качестве контролируемого и состоящий из трех транзисторных ячеек с делителями на входе, отличающимися друг от друга порогами срабатывания и имеющие логику связей на диодах, индикаторы нагрузки, включенные в коллекторные цепи первой и второй ячеек узла контроля, ключ на транзисторе, узел управления, содержащий оптроны и симистор. узел защиты на транзисторном триггере, содержащий в одном плече термодатчик-поэистор, сопротивление которого меняется в зависимости от температуры нагрузки, отключающий нагрузку от.,..!Ж 1758753 А1 (я) 5 Н 02 Н 5/04, G 05 В 11 06, Н 02 Н 3/08, 7/08 (57) Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для защиты и контроля мощности активной нагрузки в процессе ее эксплуатации. Цель изобретения — повышение надежности устройства. Новым в устройстве является ввод трансформатора тока, узла коммутации на транзисторах, а также новые связи элементов схемы, 3 ил, сети при нагреве нагрузки или длительном потреблении тока сверх номинального.

Устройство-прототип имеет следующее преимущество перед другими известными устройствами: расширенные функциональные воэможности за счет обеспечения защиты и ограничения мощности при возрастании тока нагрузки сверх номинального и контроля режимов работы нагрузки в процессе ее эксплуатации, что позволяет продлить ресурс активной нагрузки, перейти к ее обслуживанию по состоянию и рационально использовать материалы и электроэнергию, Вместе с тем оно характеризуется следующими недостатками. Вопервых, на датчике тока, выполненном на резисторе, происходит падение напряжения переменного тока около 4 — 6 В, необходимого для нормальной работы узла контроля, которое при различных значениях номинального тока нагрузки необходимо менять, Во-вторых, гальваническая связь междутриггером узла защиты на транзисторах VT2, VT3 и третьей ячейкой узда контроля на транзисторе VT4 через резисторы R3, 1758753

Й4, диод D6 искажает нормальную работу узла контроля, контролируемое напряжение которого должно быть также 3 — 5 В. Это способствует ограниченному использованию устройства и его нестабильной работе при более низком напряжении контроля.

Эта, в свою очередь, не позволяет испольэовать устройство для контроля и защиты активной нагрузки, имеющей большие номинальные токи "потребления, питание от переменного напряжения трехфазного тока.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройства, улучшение технических характеристик и повышения надежности работы за счет введения датчика на трансформаторе тока и узла коммутации, позволяющих исключить вышеуказанные недостатки и обеспечивающих универсальность устройству без замены датчика тока, защиту и контроль активной нагрузки, при контролируемом напряжении 1,5 — 1,8 В для номинального тока потребления нагрузкой, ограничение средней мощности при изменении укаэанного напряжения на 0,2-0,5 В.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство защиты и контроля мощности активной нагрузки введены датчик тока на трансформаторе тока, имеющем шесть одинаковых обмоток, коммутация которых обеспечивает универсальность устройству при различных номинальных ТОКВх нагрузки и исключает по> ери напряжения сети, и узел коммутации, позволяющий исключить влияние узла защиты на узел контроля при более низких кон-ролируемых напряжениях последнего в сравнении с напряжением питания узла эа циты, обеспечить стабильность работы узла контроля при изменении конт ролируемого напряжения на 0,2 — 0,5 В, Это позволяет производить контроль активной нагрузки, ток потребления которой меняется на 0,05-0,15 А от номинального. При этом ток потребления узлом контроля снижается с 10-15 мА до 2-5 мА. Изменение коэффи циента передачи датчика тока на трансформаторе тока от 1:5 до 5:1 позволяет контролировать различную нагрузку без замены самого устройства.

На фиг,1 показана функциональная блок-схема заявляемого устройства защиты и контроля мощности активной нагрузки, Последовательно с нагрузкой включен трансформатор тока 1, являющийся датчиком потребляемого тока. Протекая по первичной обмотке трансформатора, ток создает на вторичной обмотке напряжение, пряма пропорциональное току нагрузки, а значит, и значению средней мощности на5

40 грузки. Это напряжение поступает на выпрямитель 2, где преобразуется в постоянное, узел управления 3, далее после выпрямителя 2 в качестве контролируемого на узел контроля 4, состоящий из трех транзисторных ячеек с делителями напряжения на входе, отличающихся друг от друга порогами срабатывания, Логика связей между ними такова, что при включении ячейки с более высоким порогом срабатывания другие отключаются, Узел коммутации 5, узел защиты 6, Нагрузкой в коллекторной цепи первой и второй ячеек являются индикаторы

7 и 8, Индикатор 7 обеспечивает световую индикацию номинального режима работы нагрузки, а индикатор 8 — при постоянном свечении "Предельный режим" и при импульсном свечении "отказ" нагрузки. Для отключения нагрузки 9 от сети при ее нагреве служит узел защиты 6, содержащий триггер на транзисторах, в одно плечо которого включен термодатчик — поэистор, сопротивление которого возрастает с ростом температуры нагрузки. К первому входу узла коммутации 5 подключена третья ячейка узла контроля 4, а.ко второму входу — узел защиты 6, чем обеспечивается управление выходным транзистором узла коммутации при нагреве нагрузки и длительном потреблении тока сверх номинального, Узел коммутации 5 обеспечивает управление питанием светодиодов оптронав узл.-, управления 3, куда входит и симистор. Наличие двух оптранов, светодиоды которых включены встречно, обеспечивают откр .явание симистора при каждом полупериоде сетевого напряжения, отодинистары оптронов подают упрзвляюшее напряжеwe на симистор, включенный последовательно с нагрузкой 9, Таким образом, величина управляющего напояжения на симисторе определяет его величину открывания, а, значит, и величину средней мощности в на-рузке 9, Гальваническая развязка между узлами защиты 6 и контроля 4 за счет узла коммутации 5 исключает влияние напряжения питания узла защиты 6 на работу узла контроля 4, контролируемое напряжение которого составляет 1,5 — 1,8 В при номинальном токе нагрузки, ограничивающем мощность нагрузки при изменении этого напряжения на 0,2 — 0,5 В. Трансформатор тока 1 при изменении его коэффициента передачи за счет коммутации числа обмоток от

1:5 до 5 1 позволяет контролировать ток нагрузки, изменение которого может быть

0,05-0,15 и более от номинального, Устройство работает следующим образом.

1758753

Порог срабатывания первой ячейки узла контроля 4 выбран таким, что при номинальном режиме работы нагрузки 9 ее транзистор открыт. Благодаря логике связей между ячейками, транзисторы второй и третьей ячеек закрыты. Горит светодиод 7, являющийся коллекторной нагрузкой первой ячейки, индицируя номинальный режим, Третья ячейка узла контроля 4 и триггер узла защиты 6 закрыты, Открытый выходной транзистор узла коммутации 5 обеспечивает протекание тока через светодиоды оптронов, а, значит, открыты фотодинисторы оптронов и симистор узла управления 3. Ограничения тока через нагрузку 9 и средней мощности в ней не происходит. При номинальном значении тока сопротивление позистора в триггере узла защиты 6 минимально, переключение триггера невозможно, и он принимает устойчивое состояние, При возрастании тока нагрузки сверх номинального из-эа возникших условий эксплуатации (предельный режим) включается вторая ячейка узла контроля 4, отключая первую ячейку, и гаснет светодиод 7. При этом загорается светодиод 8, индицируется предельный режим.

Закрытый транзистор третьей ячейки узла контроля 4 и устойчивое состояние триггера узла защиты 6 обеспечивают открытое состояние оптронов и симистора узла управлени : 3 и ограничения мощности в нагрузке

9 не происходит. Если ток нагрузки и дальше будет возрастать, что возможно при отказе нагрузки, то включается транзистор третьей ячейки узла контроля 4. Гаснет светодиод 8, начинает закрываться выходной транзистор узла коммутации 5, светодиоды оптронов и симистор узла управления 3.

Происходит ограничение тока через нагрузку 9 до тех пор, пока на вторичной обмотке трансформатора тока 1 напряжение не уменьшится. Уменьшение контролируемого напряжения узла контроля 4 эа счет порогов включения ячеек вызывает включение второй ячейки и выключение третьей. Загорится светодиод 8, указывая предельный режим, Процесс повторится, если ток нагрузки 9 не уменьшится, Таким образом, мигание светодиода 8 указывает на режим

"отказа" нагрузки 9. Начинает повышаться температура нагрузки и окружающей среды, термодатчик — поэистор — нагревается, его сопротивление резко увеличивается, происходит переключение триггера узла защиты 6, Переключение триггера вызывает закрывание выходного транзистора узла коммутации 5, светодиодов оптронов и симистора узла управления 3. Нагрузка отключается от сети, так как обратное

5 t0

55 переключение триггера в исходное состояние возможно только при полном остывании нагрузки и позистора, повторном включении нагрузки s сеть. Устранена возможность самопроизвольного включения нагрузки после остывания поэистора, ибо многократные включения нагрузки 9 могут привести к ее полному отказу. Блок питания, обеспечивающий постоянное напряжение +5 В для узлов управления 3, коммутации 5 и защиты 6 не показан и может выполняться по обычной схеме.

Пример конкретного выполнения устройства защиты и контроля мощности активной нагрузки при питании от сети переменного напряжения однофазного тока показан на фиг.2 и от сети переменного напряжения трехфазного тока — на фиг.3.

При включении нагрузки Рн включается блок питания, и+5 В поступают на светодиоды оптронов VU1, VU2, триггер узла защиты 6 на транзисторах VT4, VT5, транзисторы

VT1, ЧТ2 узла коммутации 5. Наличие конденсатора С4 и сопротивление поэистора 9 обеспечивают устойчивое состояние закрытого транзистора ЧТ4 после включения питания, Транзистор VT1 узла коммутации 5 открыт, открыты светодиоды оптронов Ч01, VU2 и симистор VS1 узла управления 3. Ток нагрузки протекает через первичную обмотку трансформатора тока 1, создавая на ней напряжение 1,5 В, обеспечивает на его вторичной обмотке напряжение, прямо пропорциональное среднему значению номинального тока и средней мощности нагрузки

9, которое преобразуется выпрямителем 2 на диодах VD1 — VD4 в постоянное напояжение узла контроля 4, Последний состоит из трех ячеек на транзисторах VTG — ЧТ8, отличающихся друг от друга порогами срабатывания. Каждая ячейка на транзисторе содержит нагрузку в цепи коллектооа и делитель напряжения на входе. Порог срабатывания при номинальном токе нагрузки выбран +1,5 В для первой ячейки (VTS, ЧО11, R20 — R24); для второй ячейки (VT7, VD8, R15 — R19)-+1,8 В; для третьей ячейки (VT6, VD6, R10-R14)-+2,0 В. Переменными резисторами R10, R15, R20 можно в пределах 0,2 — 2,0 В регулировать порог срабатывания ячеек для других напряжений срабатывания и номинального тока нагрузки 9. Нагрузкой первой и второй ячеек являются светодиоды VD13 и Ч012 соответственно, токи через которые подбираются резисторами R24 и R19. Зеленое свечение VD13 указывает на номинальный режим работы нагрузки. Постоянное красное свечение светодиода VD12 — предельный режим, его мигание — "Отказ" нагрузки.

1758753

20

Логика связей диодная (VD6-VD11) построена так, что при включении ячейки с более высоким порогом срабатывания по напряжению другие отключаются. Благодаря этому и пониженному питанию ячеек узла контроля 4, суммарный ток потребления последнего не более 3 — 5 мА. При напряжении

+2,0 В отключаются первая и вторая ячейки (через диоды VD7 и VD9, участок эмиттер— коллектор открытого транзистора Тб они шунтируют нижние плечи делителей R17, R18 и R22, R23; а третья ячейка при включении второй (первой) ячейки диодом VD7 (VD9) через открытый транзистор ЧТ7 (VT8), которые шунтируют резисторы R12, R13.

Когда транзистор VT6 закрыт, напряжение поступает на базу транзистора VT3, который открывается. Закрыт транзистор Т2 и открыт транзистор VT1. Закрытый транзистор VT4 триггера узла защиты 6 также обеспечивает открытие транзистора НТ1, Через участок коллектор-эмиттер обеспечивается подключение "минуса" к светодиодам оптронов VU1, VU2, на которые поступает+5 В через резистор R2. Светодиоды, включаясь, открывают фотодинисторы оптронов VU1, VU2 и обеспечивают управляющее напряжение на симисторе VS1 через резистор R1.

Два оптрона обеспечивают открытие симисторэ ЧЯ1 при каждом полупериоде сетевого напряжения. Узел защиты работает следующим образом, Биение и износ вала двигателя, повреждение крыльчатки, заедание подшипни"îâ,,старение Смазки или присутствие в ней посторонних веществ, межвитковое замыкание обмоток двигателя вызывает увеличение тока нагрузки, нагрев двигателя, Несмотря на то, что уже происходит ограничение тока нагрузки узлом контроля

4, происходит дальнейшее нагревание двигателя. Это приводит к нагреванию термодатчика — позистора R9, его сопротивление резко возрастает. Происходит переключеwe три гера узла защиты 6, транзистор VT4 открывается, закрываются транзисторы

VT1, VT2 узла коммутации 5, Обесточивэются оптроны Ч01, VU2 и закрываются симистор VS1. Двигатель отключается от сети.

Обратное переключение триггера не происходит в исходное состояние после остывэния позистора R9 и нагрузки, но возможно после повторного включения нагрузки в сеть. Тем самым исключена возможность самопроизвольного включения нагрузки при остывании позистора RQ, так как при многократном включении нагрузки может произойти ее разрушение.

Наладка устройства сводится к подбору коэффициента передачи трансформатора тока 1 и порогов срабатывания ячеек узла контроля 4. Отпаиваются диоды VD7, VD9 и

VD10 от коллекторов транзисторов ЧТ6, VT7. На узел контроля подают напряжение

+2,0 В и подбирают переменным резистором R10 такой порог срабатывания транзистора VT6, чтобы светодиод, временно установленный в его коллекторную цепь, светился и гас при Овх =+1,8 В. Аналогично регулировкой 15 добиваются загорания светодиода VD12 или Uax =+1,8 В и его погасания при Uex - 1,5 В; а R20 — свечения светодиода VD13 при Uax = +1,5 В. После этого восстанавливают соединения диодов

VD7, VD9, VD10 с коллекторами транзисторов VT6, ЧТ7. Плавно изменяя Овх от+1,5 В до +2,0 В, проверяют работу узла контроля

4 и узлов коммутации 5 и защиты 6. Коммутацией обмоток трансформатора тока 1 добиваются на выходе выпрямителя 2 напряжения +1,5 В при номинальном токе нагрузки 9.

На фиг.3 показано использование устройств.з защиты и контроля мощности активнои нагрузки при питании от сети переменного напряжения трехфазного тока, где обозначение .узлов соответствуют описанию функциональной блок-схемы на фиг.1.

Практическое использование заявляемого устройства расширяет функциональные возможности и область применения за счет защиты, ограничения и контроля потребляемой мощности активной нагрузки (двигатели, нагревательные элементы, вентиляторы, сети электроэнергии, питание блоков и т.д.), увеличивая их срок службы, обеспечивая при этом своевременное обслуживание по состоянию и ремонт их,.до полного отказа, когда восстановление невозможно или связано с большими затратами; Универсальность датчика на трансформаторе тока и наличие гальванической развязки между узлами контроля и защиты позволяют использовать устройство для активной нагрузки с различными номинальными токами потребления и его изменениями от номинального значения тока. произвести замену одной нагрузки на другуе беэ замены самого устройства. Дополнительным эффектом является также то, что повышается стабильность работы устройства при меньших напряжениях контроля.

Формула изобретения

Устройство для защиты и контроля мощности активной нагрузки, содержащее узел управления, выход которого имеет клемму для подключения к цепи питания нагрузки, узел контроля, блок питания, выход которого соединен с первым входом узла защиты, датчик тока, первый и второй индикаторы

3758753 lO режимов работы нагрузки, входы которых подключены к соответствующим выходам узла контроля, вход которого через выпрямитель подключен к выходу датчика тока, вход которого имеет клемму для подключе- 5 ния к нагрузке, второй вход узла защиты имеет клемму для подключения к цепи питания нагрузки, о тл и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения надежности при меньших контролируемых напряжениях и обеспечении контроля нагрузки с различными номинальными токами потребления, датчик тока выполнен в виде трансформатора тока, дополнительно введен узел коммутации на транзисторах, выход которого соединен с входом узла управления, а входы — с соответствующими выходами узла контроля, узла защиты и блока питания.

1758753

gIäд, 50

Составитель К. Шилан

Техред M.Mîðãeíòàë Корректор И. Муска

Редактор M. Циткина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3006 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4!5