Устройство комплексной защиты трехфазных нагрузок

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в защитных устройствах трехфазных симметричных (асинхронных электродвигателей) и несимметричных нагрузок. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и увеличении показателей надежности устройства защиты. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем исполнительный элемент, датчик выполнен в виде трансформатора тока с резистивной нагрузкой и датчика обратной последовательности пяти делителей напряжения, компаратора и спускового устройства, которое в аварийном режиме воздействует на исполнительный механизм и исполнительный орган, создавая перегрузочную характеристику (т.е. зависимость времени перегрузки от ее кратности) гиперболического типа. При этом компаратор и спусковое устройство могут быть выполнены на дискретных КМОП - элементах цифровой логики. Для регулировки "тяжелого пуска", т.е устройств с длительной начальной перегрузочной характеристикой, предусмотрен времязадающий узел, содержащий задающий генератор, счетчик импульсов и схемы управления, прекращающий или продолжающий счет импульсов в зависимости от состояния нагрузки и воздействующий на исполнительный элемент. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в защитных устройствах трехфазных симметричных и несимметричных нагрузок.

Известно устройство комбинированной защиты [1] , содержащее исполнительный орган, включенный в каждую из фаз сети, датчик перегрузки, включенный в одну из фаз, устройство управления и исполнительный элемент, воздействующий на исполнительный орган.

Недостатком известного устройства является отсутствие регулировки защиты (жестко фиксируется отношение минимального тока к максимальному), невозможность защиты при несимметричных режимах, отсутствие контроля состояния нагрузки, большое собственное потребление энергии на мощных резистивных делителях, сложность устройства, невозможность работы в режиме так называемого "тяжелого" пуска, т.е. в тех случаях, когда при включении нагрузки режим перегрузки может длиться до десятков секунд.

Наиболее близким к предлагаемому устройству, выбранному в качестве прототипа, является устройство [2], содержащее исполнительный орган, включенный в каждую из фаз сети, датчик перегрузки, блок управления и исполнительный элемент, датчик перегрузки включен в каждую из фаз сети и выполнен в виде трансформатора тока с резистивной нагрузкой и датчика обратной последовательности, в качестве защиты от "тяжелого" пуска применен пассивно-емкостной делитель - цепь емкостной задержки.

Недостатком этого устройства является ограниченная возможность регулировки временной задержки, обусловленная параметрами RC-цепи, невозможность программирования пусковых операций для широкого диапазона нагрузок (от электродвигателей мельничных жерновов до электродвигателей глубинных насосов).

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и улучшение показателей надежности.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем исполнительный орган, включенный в каждую из фаз сети, датчик перегрузки, блок управления и исполнительный элемент, цепь емкостной задержки выполнена в виде программируемого узла временной задержки, вход которого подключен к выходному потенциальному положительному выводу стабилизатора напряжения, выход - к третьему входу компаратора, спусковое устройство выполнено в виде двух инверторов, вход которого подключен к входу первого инвертора, выход первого инвертора подключен к входу второго, являющегося выходом спускового устройства, а между входом первого инвертора и выходом второго включен резистор обратной связи.

Кроме того, программируемый узел временной задержки выполнен на задающем RC-генераторе, элементе И, счетчике, цепи установки, многовходовом элементе И-НЕ и четвертом инверторе, входом упомянутого узла временной задержки является вход задающего RC-генератора - первый вход четвертого элемента И-НЕ, подключенного к первым выводам конденсатора и резистора цепи установки, второй вывод упомянутого резистора подключен к общему выходному отрицательному выводу стабилизатора напряжения, второй вывод конденсатора подключен к R-входу счетчика, V-вход которого подключен к первому выводу упомянутого конденсатора, второй вход четвертого элемента И-НЕ подключен к точке соединения первого вывода первого резистора с первым выводом конденсатора третьей RC-цепи, второй вывод первого резистора подключен к точке соединения выхода четвертого элемента И-НЕ и входа третьего инвертора, выход которого, подключенный к второму выводу конденсатора и первому входу элемента И, является выходом упомянутого генератора, выход элемента И подключен к C-входу счетчика, выходы которого подключены к входам многовходового элемента И-НЕ, выход которого подключен к второму входу элемента И и входу четвертого инвертора, выход которого является выходом программируемого узла временной задержки.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых узлов и связей (например, компаратора, новый датчик, времязадающее устройство) и связями с остальными узлами и элементами.

Таким образом, предлагаемое устройство является новым, так как неизвестно из уровня техники.

Сравнение предлагаемого устройства с другими техническими решениями показывает, что при введении новых узлов с указанными связями с остальными элементами появляются новые свойства, такие как расширенные функциональные возможности и повышенная надежность.

Это позволяет сделать вывод о том, что техническое решение имеет изобретательский уровень, так как для авторов оно явным образом не следует из уровня техники.

На чертеже изображена структурно-принципиальная схема устройства.

Устройство содержит датчик 1 тока, выполненный в виде трансформатора тока, включенного в одну из фаз сети (например, A), датчик 2 напряжения обратной последовательности, включенный в каждую из фаз сети, содержащий первую и вторую RC-цепи из резисторов 3 и 4 и конденсаторов 5 и 6, резистор первой RC-цепи 3 подключен к третьей фазе C, конденсатор 5 этой RC-цепи, включенный последовательно с резистором 3, подключен к резистору 4 второй RC-цепи и второй фазе сети B, резистор 4 второй RC-цепи соединен с конденсатором 6 этой цепи, второй вывод которого соединен с первой фазой A. К выходу датчика 1 подключена первая схема 7 выпрямления, на выход датчика 2 между точкой соединения резистора 3 и конденсатора 5 первой RC-цепи и точкой соединения резистора 4 и конденсатора 6 второй RC-цепи включена вторая схема 8 выпрямления, параллельно выходам первой 7 и второй 8 схем выпрямления подключены конденсаторы первого 9 и второго 10 сглаживающих фильтров, соединенных одновременными отрицательными выводами, положительные выводы подключены к входной потенциальной шине стабилизатора 11 напряжения, первый пассивно-резистивный делитель 12 подключен к положительному выводу конденсатора 10 второго сглаживающего фильтра и общему выходному отрицательному выводу стабилизатора напряжения, второй пассивно-резистивный делитель 13 подключен к положительному выводу конденсатора 9 первого сглаживающего фильтра и общему выходному отрицательному выводу, первый ограничительный резистор 14 подключен одним выводом к переменному выводу резистора первого пассивно-резистивного делителя, вторым - к компаратору, его второму входу, компаратор 15 содержит три элемента И-НЕ - 16, 17 и 18, к первому входу первого элемента И-НЕ 16 подключен резистор 19, второй вывод которого соединен с резистором 20, второй вывод которого соединен с первым выводом второго элемента И-НЕ 17, являющимся вторым входом компаратора 15, между положительным выводом конденсатора 9 первого сглаживающего фильтра и входным положительным выводом стабилизатора 11 напряжения включена диодная развязка 21, представляющая собой два диода, соединенных катодами и подключенных в входному положительному выводу стабилизатора 11, аноды упомянутых диодов подключены к положительным выводам конденсаторов 9 и 10 первого и второго сглаживающих фильтров, резистор 22, подключенный к выходу датчика 1, является нагрузкой датчика тока, резисторы 23 образуют третий пассивно-резистивный делитель, вывод резистора нижнего плеча делителя 23 подключен к общему выходному отрицательному выводу, второй ограничительный резистор 24 подключен одним выводом к первому входу элемента И-НЕ 16, являющемуся четвертым входом компаратора 15, второй вывод ограничительного резистора 24 подключен к переменному выводу резистора второго пассивно-резистивного делителя 13, третий ограничительный резистор 25 подключен одним выходом к второму входу 2-го элемента И-НЕ 17, являющемуся первым входом компаратора 15, первый инвертор 26 входом подключен к переменному выходу пассивно-резистивного делителя 23, выходом - к входу второго инвертора 27, выход которого подключен к одному из выводов резистора обратной связи 28, второй вывод которого подключен к входу первого инвертора 26. Вход первого инвертора 26 является входом, а выход второго инвертора является выходом спускового устройства 29, программируемый узел временной задержки 30 подключен входом к положительному выходному выводу стабилизатора 11 напряжения, выходом - к второму входу первого элемента И-НЕ, являющемуся третьим входом компаратора 15, выход первого элемента И-НЕ соединен с первым входом третьего элемента И-НЕ, являющимся первым выходом компаратора 15, и подключен к первому выводу четвертого ограничительного резистора 31, второй вывод которого соединен с входом первого ключа 32, вместе с коллекторной нагрузкой 33 представляющего собой первый активно-резистивный делитель, второй вывод коллекторной нагрузки 33 подключен к положительному выводу конденсатора 9 первого сглаживающего фильтра, выход второго элемента И-НЕ подключен к второму входу третьего элемента И-НЕ, является вторым выходом компаратора 15 и подключен к первому выводу пятого ограничительного резистора 34, второй вывод которого соединен с входом второго ключа 35, вместе с коллекторной нагрузкой 36 представляющего собой второй активно-резистивный делитель, второй вывод коллекторной нагрузки 36 подключен к выходному положительному выводу стабилизатора 11 напряжения; переменный резистор 37 с последовательно соединенным катодом диода 38 и подключенным к аноду шунтирующим резистором 39, второй вывод которого подключен к точке соединения коллектора второго ключа и коллекторного резистора 36, совместно с коллекторным резистором 36 представляют собой первую времязадающую цепь; переменный резистор 40 с последовательно соединенным катодом диода 41 и подключенным к аноду шунтирующим резистором 42, второй вывод которого подключен к точке соединения коллектора первого ключа 32 и коллекторного резистора 33, совместно с коллекторным резистором 33 представляет собой вторую времязадающую цепь. Точка соединения элементов 39 и 37 является входом, а точка соединения элементов 38 и 39 - выходом первой времязадающей цепи; точка соединения элементов 40 и 42 является входом, а точка соединения элементов 41 и 42 - выходом второй времязадающей цепи; выходы первой и второй времязадающих цепей соединены между собой и подключены к первому выводу резистора 23 третьего пассивно-резистивного делителя, параллельно третьему пассивно-резистивному делителю включен конденсатор 43, переменный вывод третьего пассивно-резистивного делителя 23 подключен к входу спускового устройства 29, элементы 33, 40, 41 и 42 образуют вторую времязадающую цепь 44, выход пускового устройства 29 через шестой ограничительный резистор 45 подключен к входу третьего ключа, в цепи коллектора которого включен исполнительный элемент 47, контакты которого включены в цепь исполнительного органа (не показан).

Программируемый узел временной задержки выполнен на задающем RC-генераторе 48, содержащем четвертый элемент И-НЕ 49, первый вход которого, являющийся первым входом узла временной задержки, подключен к выходному положительному выводу стабилизатора 11 напряжения, выход четвертого элемента И-НЕ 49 подключен к входу третьего инвертора 50 и первому выводу резистора 51 третьей RC-цепи, второй вывод которого подключен к точке соединения второго резистора 52 и конденсатора 53 третьей RC-цепи, другой вывод второго резистора подключен к второму входу четвертого элемента И-НЕ, другой вывод конденсатора 53 подключен к выходу третьего инвертора 50 и входу первого элемента И 54, выход которого подключен к C-входу счетчика 55, V-вход которого - к точке соединения конденсатора цепи установки 56 и первому входу четвертого элемента И-НЕ, второй вывод упомянутого конденсатора подключен к первому выводу резистора цепи установки 57 и R-входу счетчика 55, второй вывод резистора цепи установки 57 подключен к общему отрицательному выходному выводу, первый вход элемента И 54 является выходом задающего RC-генератора 48, выходы счетчика 58 подключены к входам многовходового элемента И-НЕ, выход которого подключен к второму входу элемента И 54 и входу четвертого инвертора 59, выход которого является выходом программируемого узла временной задержки 30 и подключен к третьему входу компаратора 15. Четвертый ключ 60 подключен входом к второму выводу к седьмого ограничительного резистора 61, первый вывод которого подключен к выходу третьего элемента И-НЕ 18, соединенного с точкой соединения первого и второго резисторов 19, 20 и являющегося третьим выходом компаратора 15, в цепи коллектора четвертого ключа 60 последовательно включены световоды 62 и восьмой ограничительный резистор 63, второй вывод которого подключен к выходному положительному выводу стабилизатора 11 напряжения. Эмиттеры ключей 32, 35, 46 и 60 соединены между собой и подключены к общему отрицательному выходному выводу.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме работы напряжение на датчике 1 тока и нижнем плече второго пассивно-резистивного делителя 13 таково, что компаратор 15 не включен, т.е. лог. "1" на его первом выходе открывает первый ключ на транзисторе 32, конденсатор 43 через элементы второй времязадающей цепи 40 и 41, третий ключ закрыт, так как на входе спускового устройства 29 уровень лог. "0", исполнительный элемент 47 отключен, контакты исполнительного органа включены, и нагрузка питается от трехфазной сети. Датчик 2 напряжения обратной последовательности осуществляет защиту от перекоса фаз. При отсутствии перекоса фаз и наличии всех трех фаз напряжение на нижнем плече первого пассивно-резистивного делителя таково, что напряжение на втором выходе компаратора лог "1" и второй ключ на транзисторе 35 включен. Конденсатор 43 разряжен через элементы 37 и 38 первой времязадающей цепи, спусковое устройство 29 продолжает находится в положении, когда четвертый ключ на транзисторе 46 продолжает быть закрытым, а нагрузка питается от сети. В этом режим на третьем выходе компаратора сигнал лог "0", четвертый ключ закрыт, и световод 50 отключен, т.е. не светится. Регулировкой программируемого узла 30 временной задержки можно изменить время его работы. В зависимости от этого сигнал на третьем входе компаратора 15 появляется после того, как начальная перегрузка, вызванная "тяжелым пуском" или другими причинами, будет завершена. Принцип работы датчика 2 обратной последовательности заключается в том, что в режиме нормальной работы токи 1_CB и 1_AB рассчитываются из соотношений сопротивления элементов 3-5-4-6- как 1 : : : 1, т.е. tg_AB = , а tg_CB = где ϕ - угол сдвига фаз между соответствующим током и напряжением. Тогда при отсутствии перекоса фаз и наличии всех трех фаз напряжение на выходе первого пассивно-резистивного делителя 12, т.е. на втором входе компаратора 15 таково, что на его втором выходе сигнал лог. "0", открывающий второй ключ на транзисторе 35. Далее устройство работает, как было описано ранее.

В аварийном режиме работы, когда через датчик 1 тока проходит ток, больший номинального значения, увеличивается напряжение на нагрузочном резисторе 22, зависящее от величины тока нагрузки. Увеличивается напряжение на нижнем плече второго пассивно-резистивного делителя 13, и при достижении определенного порога закрывается первый ключ на транзисторе 32. Аналогичное напряжение подается на вторую времязадающую цепь (элементы 33, 40 и 41). Время заряда конденсатора 43 будет определяться величиной входного напряжения, т.е. напряжения на конденсаторе 9 первого сглаживающего фильтра, т.е. реализуется обратная зависимость времени заряда от кратности перегрузки: чем больше ток перегрузки, тем меньше время заряда конденсатора 43. Если же за время заряда конденсатора 43 напряжение на нижнем плече второго пассивно-резистивного делителя 13 стало ниже порога срабатывания (U_пор), например, уменьшилась нагрузка, закончился запуск электродвигателя, то компаратор 15 переходит в исходное состояние, и конденсатор 43 быстро разряжается через элементы 40, 41 и шунтирующий резистор 42 второй времязадающей цепи и открытый первый ключ. Если напряжение продолжает превышать U_пор, то конденсатор 43 заряжается до уровня, задаваемого нижним плечом третьего пассивно-резистивного делителя 23, при котором срабатывает спусковое устройство 29, включая третий ключ на транзисторе 46 и исполнительный элемент 47, который, воздействуя на исполнительный орган, отключает нагрузку от трехфазной сети. Одновременно включается четвертый ключ на транзисторе 60, и сигнал световода 62 свидетельствует об аварийном состоянии нагрузки.

При перекосе фаз или пропадании одной из них напряжение на первом пассивно-резистивном делителе становится достаточным для того, чтобы на втором выходе компаратора появился сигнал лог "0", второй ключ на транзисторе 35 закрывается и конденсатор 43 начинает заряжаться по цепи из элементов 36, 37 и 38 первой времязадающей цепи, включается спусковое устройство 29, и далее работа происходит, как было описано ранее.

Программируемый узел 30 временной задержки работает следующим образом.

В нормальном режиме работы элементы 49, 50, 54, 55, 58 и 59 питаются от отдельного источника постоянного напряжения U_доп. При появлении напряжения на выходе стабилизатора 11 напряжения сигнал лог. "1" поступает на вход задающего RC-генератора 48 и выключает его. Кроме того, сигнал лог. "1" подается на V-вход счетчика 55, а на R-вход его же поступает сигнал лог. "0", и счетчик 55 будет находиться в режиме счета. Однако счет начинается только в том случае, когда сигнал на входе многовходового элемента И-НЕ 58 будет равен лог. "1". Тогда на выходе четвертого инвертора 59 будет сигнал лог. "0" и до появления сигнала на выходе одного из разрядов счетчика 55 и третьем входе компаратора 15, т.е. на выходе узла 30, будет сигнал лог. "0", что эквивалентно сигналу лог. "1" на первом выходе компаратора 15 и на входе первого ключа 32, на выходе спускового устройства 29 - уровень лог. "0", 3-й ключ 46 закрыт, исполнительный элемент 47 отключен. Если время перегрузки превысит заданное программируемым узлом 30 временной задержки, то на одном из выходов счетчика 55 появится сигнал лог. "1", на выходе многовходового элемента И-НЕ 58 - сигнал лог. "0", отключается C-вход счетчика 55, т.е. счет прекратится, на выходе четвертого инвертора 59 появится сигнал лог. "1", что эквивалентно уровню лог. "0" на первом выходе компаратора 15, и, в конечном итоге, включается 3-й ключ 46, исполнительный элемент 47 и исполнительный орган отключает нагрузку от цепи переменного тока.

Таким образом, предложенное устройство обладает более широкими функциональными возможностями, а также улучшает характеристики по надежности по сравнению с прототипом.

Приведенные сведения подтверждают возможность осуществления изобретения.

Формула изобретения

1. Устройство комплексной защиты трехфазных нагрузок, содержащее включенный в каждую из фаз сети исполнительный орган с контактами исполнительного элемента, датчик тока, включенный в одну из фаз сети, датчик напряжения обратной последовательности, включенный в каждую из фаз цепи, отличающееся тем, что введены две схемы выпрямления, узел диодной развязки, стабилизатор напряжения, два пассивных резистивных делителя напряжения, компаратор, программируемый узел временной задержки, четыре ключа, две времязадающие цепи, светодиод и спусковое устройство, при этом выходы датчиков тока и напряжения обратной последовательности через соответственно первую и вторую схемы выпрямления подключены соответственно к первому и второму пассивным резистивным делителям напряжения, выходы первой и второй схем выпрямления через узел диодной развязки подключены к входу стабилизатора напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора, через программируемый узел временной задержки с третьим входом компаратора, с коллектором второго ключа через его коллекторную нагрузку, с коллектором четвертого ключа через соответствующий резистор и светодиод, второй вход компаратора подключен к переменному выводу резистора второго пассивного резистивного делителя напряжения, четвертый вход компаратора подключен к переменному выводу резистора первого пассивного резистивного делителя напряжения, первый ключ через его коллекторную нагрузку подключен к выходу первой схемы выпрямления, третий ключ предназначен для включения исполнительного элемента, первый выход компаратора соединен с входом первого ключа, второй выход компаратора соединен с входом второго ключа, при этом коллекторы первого и второго ключей через соответственно вторую и первую времязадающие цепи соединены с входом спускового устройства, выход которого подключен к входу третьего ключа, эмиттеры всех ключей объединены и соединены с общей шиной, третий выход компаратора соединен с входом четвертого ключа, при этом единичный сигнал на первом выходе компаратора формируется при отсутствии единичного сигнала хотя бы на одном его третьем или четвертом входе, единичный сигнал на его втором выходе формируется при отсутствии единичного сигнала на хотя бы одном его первом или втором входах, а единичный сигнал на его третьем выходе формируется при отсутствии единичного сигнала на одном его первом или втором выходе.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что программируемый узел временной задержки выполнен на задающем генераторе, элементе И, счетчике, цепи установки в виде последовательной RC-цепи, многовходовом элементе И - НЕ и инверторе, при этом входом упомянутого узла временной задержки является вход задающего генератора, свободный вывод резистора цепи установки подключен к общей шине, общий вывод резистора и конденсатора подключен к R-входу счетчика, V-вход которого подключен к свободному выводу конденсатора цепи установки, выход задающего генератора подключен к первому входу элемента И, выход которого подключен к C-входу счетчика, выходы которого подключены к соответствующим входам многовходового элемента И - НЕ, выход которого подключен к второму входу элемента И и входу инвертора, выход которого является выходом программируемого узла временной задержки.

РИСУНКИ

Рисунок 1