Устройство для защиты электрической цепи постоянного тока

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к бесконтактным аппаратам защиты и коммутации (БАЗК) автономных объектов, используется для защиты электрической цепи постоянного тока. Устройство для защиты электрической цепи постоянного тока содержит исполнительный орган, первый датчик тока и усилитель, причем вход исполнительного органа является входом устройства, его выход соединен со входом первого датчика тока, первый и второй входы усилителя соответственно подключены ко входу и выходу первого датчика тока, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены блок управления, усилитель мощности, пороговый элемент, образующие ограничитель тока, причем указанный ограничитель тока выполнен N-канальным. Устройство дополнительно содержит второй датчик тока, измеритель тока, измеритель времени. При этом вход блока управления является управляющим входом ограничителя тока, а выход первого датчика тока является его выходом, одноименные входы и выходы N каналов соединены параллельно, при этом соединение силовых входов является входом устройства, вход блока управления каждого из N каналов соединен с выходом усилителя и входом порогового элемента, выход которого подключен к первому входу усилителя мощности, выход указанного блока управления подключен ко второму входу усилителя мощности, выход которого соединен с управляющим входом исполнительного органа, объединенные выходы N каналов подключены ко входу второго датчика тока, выход указанного второго датчика тока является выходом устройства, а его измерительный выход соединен с первым входом измерителя тока, выход которого подключен ко входу измерителя времени, выход последнего подключен к объединенным управляющим входам каждого из N каналов. Технический результат - уменьшение потерь на разогрев. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических цепей систем электропитания постоянного тока от токов перегрузки и токов короткого замыкания.

Известно бесконтактное устройство защиты и коммутации [1], содержащее исполнительный орган, датчик тока и схему управления.

Недостатками известного устройства являются большое время включения и отключения, приводящее к возникновению дополнительных потерь и разогреву силового ключа из-за развития больших токов перегрузки и ограничения по применению динамической нагрузки.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для защиты электрической цепи низкого напряжения самолетной аппаратуры [2], содержащее исполнительный орган, первый датчик тока и усилитель, причем вход исполнительного органа является входом устройства, его выход соединен со входом первого датчика тока, первый и второй входы усилителя соответственно подключены ко входу и выходу первого датчика тока.

Недостатками указанного устройства являются большое время включения и отключения, приводящее к возникновению дополнительных потерь и разогреву исполнительного органа из-за развития больших токов перегрузки. Устройство не обеспечивает ограничение по току в заданном интервале времени, размыкание защищаемой цепи при разогреве исполнительного органа, ограничение уровня тока короткого замыкания за счет уменьшения времени включенного состояния исполнительного органа.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является повышение надежности работы за счет снижения потерь на разогрев исполнительного органа, задания уровня ограничения тока в заданном интервале времени, ограничения уровня тока короткого замыкания.

Указанная задача решается тем, что устройство для защиты электрической цепи постоянного тока, содержащее исполнительный орган, первый датчик тока и усилитель, в котором вход исполнительного органа является входом устройства, его выход соединен со входом первого датчика тока, первый и второй входы усилителя соответственно подключены ко входу и выходу первого датчика тока, в устройство дополнительно введены блок управления, усилитель мощности, пороговый элемент, образующие ограничитель тока, причем указанный ограничитель тока выполнен N - канальным, устройство дополнительно содержит второй датчик тока, измеритель тока, измеритель времени, при этом вход блока управления является управляющим входом ограничителя тока, а выход первого датчика тока является его выходом, одноименные входы и выходы N каналов соединены параллельно, при этом соединение силовых входов является входом устройства, вход блока управления каждого из N каналов соединен с выходом усилителя и входом порогового элемента, выход которого подключен к первому входу усилителя мощности, выход указанного блока управления подключен ко второму входу усилителя мощности, выход которого соединен с управляющим входом исполнительного органа, объединенные выходы каждого из N каналов подключены ко входу второго датчика тока, выход указанного второго датчика тока является выходом устройства, а его измерительный выход соединен с первым входом измерителя тока, выход которого подключен ко входу измерителя времени, выход последнего подключен к объединенным управляющим входам каждого из N каналов.

Предусмотрено, что устройство может содержать измеритель температуры, который находится в тепловом контакте с общей теплопроводящей поверхностью расположения исполнительных органов N каналов, а его выход соединен со вторым входом измерителя тока.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для защиты электрической цепи постоянного тока. На фиг. 2, 3 представлены эпюры токов перегрузки и короткого замыкания соответственно.

Устройство содержит исполнительный орган 1, первый датчик тока 2 и усилитель 3, в котором вход исполнительного органа 1 является входом устройства, его выход соединен со входом первого датчика тока 2, первый и второй входы усилителя 3 соответственно подключены ко входу и выходу первого датчика тока 2, в устройство дополнительно введены блок управления 5, усилитель мощности 6, пороговый элемент 7, образующие ограничитель тока 4, причем указанный ограничитель тока 4 выполнен N - канальным, устройство дополнительно содержит второй датчик тока 8, измеритель тока 9, измеритель времени 10, при этом вход блока управления 5 является управляющим входом ограничителя тока 4, а выход первого датчика тока 2 является его выходом, одноименные входы и выходы N каналов соединены параллельно, при этом соединение силовых входов является входом устройства, вход блока управления 5 каждого из N каналов соединены с выходом усилителя 3 и входом порогового элемента 7, выход которого подключен к первому входу усилителя мощности 6, выход указанного блока управления 5 подключен ко второму входу усилителя мощности 6, выход которого соединен с управляющим входом исполнительного органа 1, объединенные выходы каждого из N каналов подключены ко входу второго датчика тока 8, выход указанного второго датчика тока 8 является выходом устройства, а его измерительный выход соединен с первым входом измерителя тока 9, выход которого подключен ко входу измерителя времени 10, выход последнего подключен к объединенным управляющим входам каждого из N каналов.

Устройство работает следующим образом.

В первый момент времени блок управления 5 каждого из N каналов ограничителя тока 4 выдает на второй вход усилителя мощности 6 разрешающий сигнал для установки исполнительного органа 1 в замкнутое состояние, для передачи тока через низкоомные первый 2 и второй 8 датчики тока в нагрузку.

При номинальном токе в выходной цепи устройства уровень сигнала на выходе усилителя 3 каждого из N каналов недостаточен для срабатывания соответствующих блока управления 5 и порогового элемента 7, а также уровень сигнала с датчика тока 8 недостаточен для срабатывания измерителя тока 9, на выходе которого устанавливается разрешающий сигнал, поступающий через измеритель времени 10 на вход блока управления 5 каждого канала. Таким образом, в результате с выходов блока управления 5 и порогового элемента 7 на усилитель мощности 6 каждого канала поступают разрешающие сигналы, и усилитель мощности 6 поддерживает исполнительный орган 1 в замкнутом состоянии.

Эпюры токов, приведенные на фиг. 2, поясняют работу устройства при токе перегрузки. При увеличении тока нагрузки увеличиваются уровни напряжения на входах усилителя 3, что соответственно приводит к увеличению уровня сигнала на входе блока управления 5. При превышении этим сигналом определенного уровня, который соответствует току нагрузки I₁ (фиг. 2), блок управления 5 уменьшает уровень сигнала на втором входе усилителя мощности 6, а следовательно, и на входе исполнительного органа 1, что приводит к уменьшению тока нагрузки. В результате благодаря действию цепи обратной связи (датчик тока 2, усилитель 3, блок управления 5, усилитель мощности 6, исполнительный орган 1) происходит ограничение тока нагрузки на уровне I₁, заданным блоком управления 5. Из-за того, что указанная цепь обратной связи имеет некоторую постоянную времени, ограничитель тока 4 установит ток I₁ в цепи нагрузки через время t₃ (фиг.2). Ток I₁ складывается из N равных частей (I₁/N), каждая из которых задается одним из N каналов ограничителя тока 4. Одновременно с увеличением тока нагрузки увеличивается сигнал с выхода второго датчика тока 8, поступающего на вход измерителя тока 9, и при повышении сигнала свыше установленного уровня (соответствующего току нагрузки I₂) измеритель тока 9 выдает команду измерителю времени 10 на отсчет времени. По истечении установленного интервала t₁ и при наличии на входе измерителя тока 9 сигнала, величина которого выше установленного уровня, измеритель времени 10 выдает на вход блока управления 5 каждого канала ограничителя тока 4 сигнал, который через усилитель мощности 6 переведет исполнительный орган 1 в непроводящее состояние. Таким образом, при токе нагрузки, величина которого меньше уровней, заданных блоком управления 5 и измерителем тока 9 (I₁, I₂), усилитель мощности 6 никак не влияет на проводимость исполнительного органа 1. При увеличении тока нагрузки выше уровня, заданного блоком управления 5 (I₁), ток в силовой цепи будет ограничен этим уровнем и через время, заданное измерителем времени 10, исполнительный орган 1 разомкнет цепь нагрузки. Если в течение указанного времени ток снизится до номинального, блок управления 5, измеритель времени 10, измеритель тока 9 вернутся в исходное состояние, при котором исполнительный орган 1 имеет наименьшее сопротивление.

Возникновение на выходе устройства короткого замыкания приводит к появлению на выходе усилителя 3 уровня сигнала, превышающего порог срабатывания порогового элемента 7, что приводит к его срабатыванию. Усиленный сигнал с выхода порогового элемента 7 поступает на вход исполнительного органа 1. Пороговый элемент 7 обеспечивает быстрый переход исполнительного органа 1 в состояние низкой проводимости. Далее исполнительный орган 1 за некоторое время t₂ выводит ток нагрузки на уровень, заданный блоком управления 5 (I₁) и, если по истечении интервала времени t₁ на выходе устройства по прежнему будет присутствовать короткое замыкание, то исполнительный орган 1 разомкнет цепь нагрузки.

Различие уровней токов I₁, I₂ необходимо для обеспечения измерения времени измерителем времени 10.

Работа устройства при коротком замыкании показана на фиг.3. Ограничение уровня тока короткого замыкания необходимо для защиты исполнительного органа 1 от пропускания через него неограниченного тока и выхода его из строя. Для этого в устройство введен пороговый элемент 7, который настроен на более высокий уровень тока I₃/N, чем блок управления 5 (I₁/N). Все N каналов ограничителя тока 4 начинают ограничивать ток короткого замыкания практически в одно и тоже время, что обеспечивается равенством уровней срабатывания пороговых элементов 7 каждого канала и малым временем реакции порогового элемента. Ограничение тока короткого замыкания происходит за счет ограничения времени нахождения исполнительного органа 1 в проводящем состоянии и тем самым не позволяет току короткого замыкания увеличиваться до значения, приводящего к выходу из строя исполнительного органа 1.

Задание уровня ограничения тока в заданном интервале времени, автоматическое отключение при разогреве исполнительного органа и ограничение уровня тока короткого замыкания обеспечивают снижение потерь на разогрев исполнительного органа 1 и надежную защиту нагрузки от короткого замыкания. Выполнение ограничителя тока 4 N-канальным позволяет увеличивать коммутируемую мощность нагрузки до необходимых значений за счет увеличения числа каналов. Также N канальность позволяет снизить загрузку исполнительных органов 1, благодаря равномерному распределению общей мощности между каналами и тем самым повысить надежность устройства для защиты электрической цепи постоянного тока.

Вариант выполнения устройства для защиты электрической цепи постоянного тока для повышения надежности за счет автоматического отключения при разогреве исполнительного органа 1 имеет дополнительно измеритель температуры 11, который находится в тепловом контакте с общей теплопроводящей поверхностью расположения исполнительных органов 1 N каналов ограничителя тока 4, а его выход соединен со вторым входом измерителя тока 9.

Автоматическое отключение при разогреве исполнительного органа 1 необходимо для его защиты от перегрева. Если температура общей теплопроводящей поверхности расположения исполнительных органов 1 N каналов ограничителя тока 4 ниже заданной температуры, то на выходе измерителя температуры 11 устанавливается разрешающий сигнал, поступающий на второй вход измерителя тока 9. Если температура общей теплопроводящей поверхности расположения исполнительных органов 1 N каналов ограничителя тока 4 выше заданной температуры, то на второй вход измерителя тока 9 поступает сигнал, действующий на измеритель тока 9 аналогично сигналу с выхода датчика тока 8, уровень которого соответствует току нагрузки I₂. В результате, при разогреве исполнительного органа 1 выше заданной температуры, цепь нагрузки разомкнется через время ₁.

Применение описанного устройства в системах электропитания постоянного тока расширяет их функциональные возможности и позволяет повысить надежность.

В настоящее время на предприятии ФНПЦ НПК (О) "Энергия" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их высокие технические характеристики.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Микроэлектронные электросистемы. Применения в радиоэлектронике / Ю.И. Конев, Г.Н. Гулякович, К.П. Полянин и др. Под ред. Ю.И. Конева. - М.: Радио и связь, 1987. - с. 148.

2. Тимофеев Ю.В. Устройство для защиты электрической цепи низкого напряжения самолетной аппаратуры // Патент РФ 2089032, кл. Н 02 Н 7/10 // Изобретения. Полезные модели: Офиц. бюл. - 1997. - 24.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты электрической цепи постоянного тока, содержащее ограничитель тока, каждый канал которого содержит исполнительный орган, первый датчик тока и усилитель, причем вход исполнительного органа является силовым входом ограничителя тока и входом устройства, а выход исполнительного органа соединен со входом первого датчика тока, выход которого является выходом ограничителя тока, при этом вход и выход первого датчика тока подключены к соответствующим первому и второму входам усилителя, отличающееся тем, что введены второй датчик тока, измеритель тока, измеритель времени, ограничитель тока содержит N каналов, соответствующие входы и выходы которых объединены, в каждый канал ограничителя тока введены блок управления, усилитель мощности и пороговый элемент, вход блока управления каждого из N каналов соединен с выходом усилителя и входом порогового элемента, выход которого подключен к первому входу усилителя мощности, выход указанного блока управления подключен ко второму входу усилителя мощности, выход которого соединен с управляющим входом исполнительного органа, объединенные выходы N каналов подключены ко входу второго датчика тока, выход указанного второго датчика тока является выходом устройства, а его измерительный выход соединен с первым входом измерителя тока, выход которого подключен ко входу измерителя времени, выход последнего подключен к объединенным управляющим входам каждого из N каналов, при этом блок управления при повышении током нагрузки заданного уровня по сигналу с выхода усилителя уменьшает уровень сигнала на втором входе усилителя мощности, а по сигналу с выхода измерителя времени, поступающего по истечении заданного им интервала, переводит исполнительный орган в непроводящее состояние.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит измеритель температуры, который находится в тепловом контакте с общей теплопроводящей поверхностью расположения исполнительных органов N каналов, а его выход соединен со вторым входом измерителя тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3