Патент на изобретение №2185017
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО РАСЦЕПЛЕНИЯ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
(57) Реферат: Изобретение относится к электронному устройству расцепления для автоматического выключателя, содержащему по меньшей мере один датчик тока, выдающий ток в первую схему электропитания. Распределительная шина, подсоединенная к выходу первой схемы электропитания, распределяет электрическое напряжение, регулируемое первым регулятором амплитудного ограничения, в электронные схемы устройства расцепления. Устройство расцепления содержит вторую схему электропитания, подсоединенную к внешнему источнику энергии, и второй регулятор амплитудного ограничения, подсоединенный между второй схемой электропитания и распределительной шиной. Второй регулятор амплитудного ограничения работает синхронно с первым регулятором амплитудного ограничения. Технический результат – снижение массогабаритных показателей. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 5 ил. Изобретение относится к электронному расцепляющему устройству для автоматического выключателя, содержащему: по меньшей мере один датчик тока для получения вторичного тока, представляющего ток, протекающий в проводнике системы электропитания, защищенной автоматическим выключателем; блок обработки для приема сигналов, представляющих ток, протекающий в проводниках системы электропитания, защищенной автоматическим выключателем, и подачи команды расцепления; первую схему электропитания, содержащую вход, подсоединенный к упомянутому датчику тока, выход, подсоединенный к шине электропитания, снабжающей энергией электрические и электронные схемы устройства расцепления, и первое регулирующее средство, подсоединенное между входом и выходом упомянутой первой схемы электропитания, и вторую схему электропитания, содержащую вход, подсоединенный к внешнему источнику электрической энергии, и выход, подсоединенный к шине электропитания. Электронные устройства расщепления известных типов содержат схемы электропитания, предназначенные для подачи электроэнергии, необходимой для работы электронных схем и реле отключения. Схемы электропитания обычно подсоединяют к трансформаторам тока, смонтированным на мощных проводниках защищаемой системы электропитания. Обеспечиваемые трансформаторами токи выпрямляются и затем подаются на схему электропитания, которая подает напряжения постоянного тока в различные схемы выключателей. Известные из предшествующего уровня техники схемы электропитания содержат регуляторы амплитудного ограничения, которые закорачивают ток вторичной обмотки трансформаторов, когда вырабатываемое напряжение превышает заранее установленное пороговое значение. Ток, обеспечиваемый трансформаторами тока, в принципе достаточен для обеспечения возможности нормальной работы устройства расцепления. Устройства расцепления могут содержать вспомогательные цепи, предназначенные для функций, связанных с электрической защитой, например измерения электрической мощности, контроля нагрузки, изоляции или контроля тока утечки. Если в устройстве расцепления имеются вспомогательные цепи, поступающий с трансформаторов ток может оказаться недостаточным для питания всех цепей. Главной функцией электронных устройств расцепления является защита мощных электрических систем, причем электрическая энергия, вырабатываемая трансформаторами, резервируется заранее для схем, осуществляющих такую защиту. В некоторых известных устройствах расцепления управления электропитанием блокируют работу или останавливают подачу энергии на вспомогательные цепи, когда поступающий с трансформаторов ток становится недостаточным. Кроме того, известно использование дополнительной схемы электропитания для восполнения недостатка тока, вырабатываемого трансформатором. Схема электропитания соединена с источником напряжения, внешним относительно автоматического выключателя, и осуществляет непрерывное снабжение автоматического выключателя электроэнергией, даже когда ток с трансформаторов весьма мал или равен нулю. Внешнее напряжение питания, подаваемое в схемы электропитания, может иметь высокие значения. Оно обычно соответствует напряжению защищаемой системы электропитания, например 100 – 700 В. Однако напряжение, вырабатываемое схемами электропитания, имеет низкое значение порядка 10 – 20 В и предпочтительно должно быть гальванически развязано от внешнего источника. Электроэнергия, рассеиваемая схемами электропитания, в этом случае обычно высока, следовательно, необходимо использовать громоздкие электронные силовые элементы. Дополнительные схемы электропитания можно легко вводить в крупногабаритные автоматические выключатели. Для автоматических выключателей меньших размеров упомянутые схемы обычно монтируют в виде модулей, внешних относительно автоматических выключателей. Объединение дополнительных схем электропитания вызывает сложности. Располагаемое пространство в автоматических прерывателях средних и малых размеров обычно очень мало, и протекание больших токов в контактах и основных проводниках автоматических прерывателей приводит к повышению рабочей температуры. Высокая температура в автоматических прерывателях ведет к увеличению габаритов компонентов схем. Увеличение объема, занимаемого такими компонентами, несовместимо с небольшим пространством, имеющимся в автоматических прерывателях. Задачей изобретения является создание электронного устройства расцепления, содержащего встроенное дополнительное устройство электропитания. В соответствии с изобретением, устройство расцепления содержит второе средство регулирования, содержащее вход, подсоединенный к выходу второй схемы электропитания, выход, подсоединенный к шине электропитания, и средство управления, подсоединенное к первому средству регулирования амплитудного ограничения, причем средство управления предназначено для управления вторым средством регулирования для снижения среднего тока от второй схемы электропитания или возрастании тока, выдаваемого датчиком тока. В конкретном варианте осуществления второе средство регулирования содержит средство ограничения тока, подсоединенное между входом и выходом упомянутого средства регулирования, причем упомянутое средство ограничения тока выполнено управляемым с помощью средства управления. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, первое средство регулирования содержит первый регулятор амплитудного ограничения, второе средство регулирования содержит второй регулятор амплитудного ограничения, а средство управления содержит синхронизирующее средство, подсоединенное между первым и вторым регуляторами амплитудного ограничения. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения, первый регулятор амплитудного ограничения содержит средство отведения тока, подсоединенное ко входу первого средства регулирования, и первое средство детектирования, подсоединенное между шиной электропитания и средством отведения, причем упомянутое средство детектирования обеспечивает короткое замыкание входа первого средства регулирования, когда напряжение в шине электропитания превышает первое заранее установленное пороговое значение, а второй регулятор амплитудного ограничения содержит средство прерывания тока, управляемое средством управления, причем средство управления обеспечивает прерывание тока, поступающего со второго регулятора, когда первое регулирующее средство подает команду короткого замыкания входа первого средства регулирования. В одном из вариантов осуществления изобретения выход второго средства регулирования подсоединен ко входу первого средства регулирования. В другом варианте осуществления изобретения выход второго средства регулирования подсоединен к выходу первого средства регулирования. Вторая схема электропитания предпочтительно содержит выпрямительную схему, подсоединенную к внешнему источнику электроэнергии, ограничитель напряжения, подсоединенный к выходам выпрямительной схемы, и прерыватель, подсоединенный к выходам ограничителя и подающий напряжение на вход второго средства регулирования. Прерыватель содержит трансформатор, содержащий первичную обмотку, запитываемую посредством генератора, и вторичную обмотку, электрически изолированную от первичной обмотки и подсоединенную ко входу второго средства регулирования. Прерыватель предпочтительно представляет устройство типа обратного хода. Преимущества и и признаки изобретения поясняются в последующем описании возможных вариантов осуществления изобретения, приведенных в качестве неограничительных примеров и иллюстрируемых чертежами, на которых представлено следующее: фиг. 1 – электрическая блок-схема известного устройства расцепления, связанного с автоматическим выключателем; фиг. 2 – электрическая блок-схема устройства расцепления, соответствующего первому варианту осуществления изобретения; фиг. 3 – электрическая блок-схема устройства расцепления, соответствующего второму варианту осуществления изобретения; фиг. 4а – 4d – электрические сигналы, иллюстрирующие режим регулирования в устройстве по фиг.2 или 3; фиг. 5 – принципиальная электрическая схема устройства расцепления по фиг.3. На фиг.1 представлен автоматический выключатель известного типа. Защищаемая система электропитания 1 содержит электрические проводники, подсоединенные к контактам 2, дающим возможность устанавливать или прерывать ток. Датчики тока T1, T2, Т3, связанные с разными проводниками системы электропитания, преобразуют первичные токи высокого уровня во вторичные токи, совместимые с электронными устройствами расцепления. Вторичные токи подаются на вход схемы 3 выпрямления и детектирования. Эта схема подает сигналы, соответствующие токам, на электронный блок обработки 4, а ток электропитания – в первую схему 7 электропитания устройства расцепления. Команда расцепления, вырабатываемая блоком обработки 4, подается на вход реле управления 5, которое приводит в действие механизм размыкания 6 контактов 2 автоматического выключателя. Схема электропитания 7 обеспечивает электропитанием электрические и электронные схемы устройства расцепления, а именно: блок обработки 4, реле 5 и вспомогательные цепи 8 через шину электропитания 10. Вторая схема электропитания 9, подсоединенная между внешним источником электроэнергии 11 и шиной электропитания 10, обеспечивает электропитанием электрические и электронные схемы 4, 5 и 8 устройства расцепления, когда ток, поступающий с датчиков, уже недостаточен. На фиг.1 первая схема электропитания 7 преобразует ток Itc, поступающий с датчиков, в одно или более напряжений постоянного тока, поступающих в шину электропитания 10. Вторая схема электропитания 9 преобразует первое напряжение постоянного или переменного тока VL, поступающее из источника 11, во второе напряжение постоянного тока, поступающее в шину 10. Шина электропитания предпочтительно гальванически изолирована от внешнего источника 11. В электронном устройстве расцепления, представленном на фиг.2, трансформаторы тока Т1, Т2 и Т3 подсоединены ко входам переменного тока трех мостовых выпрямительных схем, 3а, 3в и 3с соответственно. Положительные выходы мостовых выпрямительных схем подсоединены к шине 12, а отрицательные выходы упомянутых мостовых схем подсоединены к опорной шине 0. Шина 12 соединяет положительные выходы мостовых схем со входом первой схемы электропитания 7. Вторичные токи, вырабатываемые трансформаторами тока, выпрямляются с помощью мостовых схем 3а, 3в и 3с, затем подаются на вход первой схемы электропитания 7. Первая схема электропитания 7 содержит диод 13, подсоединенный между входом, соединенным с шиной 12, и выходом, соединенным с шиной электропитания 10, конденсатор 14, подсоединенный между выходом и опорной шиной 0, транзистор 15, подсоединенный между входом и опорной шиной 0, и первый контроллер 16 амплитудного ограничения, подсоединенный между шиной электропитания 10 и опорной шиной 0 и содержащий выход, подсоединенный к управляющему электроду транзистора 15. Поступающий с трансформаторов Т1, Т2 или Т3 ток выпрямляется с помощью мостовых схем 3а, 3в или 3с. Затем, пока транзистор 15 заперт, упомянутый ток течет через диод 13, заряжает конденсатор 14 и снабжает электропитанием схемы, подсоединенные к шине 10. Когда напряжение между шиной 10 и опорной шиной 0, то есть напряжение с на клеммах конденсатора 14 превышает заранее установленное пороговое значение напряжения, регулятор амплитудного ограничения 16 отпирает транзистор 15. После этого ток с трансформаторов отводится в опорную шину 0 и больше не течет по шине электропитания 10. Диод 13 препятствует разрядке конденсатора через транзистор 15. Регулятор амплитудного ограничения 16 управляет отпиранием и запиранием транзистора 15 в соответствии с напряжением, имеющимся в шине электропитания 10. Частота прерывания и интенсивность цикла меняется в соответствии с током от транзисторов и током, поглощаемым подсоединенными к шине 10 схемами. Если ток от трансформаторов возрастает, средний период времени, в течение которого транзистор 15 открыт, увеличивается, а время, в течение которого транзистор заперт, уменьшается, ток зарядки конденсатора возрастает. В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения, показанное на фиг. 2 устройство расцепления содержит схему регулирования тока 17, подсоединенную между второй схемой электропитания 9 и шиной электропитания 10. Схема 17 содержит вход, на который поступает напряжение постоянного тока или выпрямленное напряжение, поступающее из схемы электропитания 9, и выход, с которого регулируемый ток подается в шину 10. Регулирование тока в схеме 17 осуществляется таким образом, что он уменьшает среднее значение тока, подаваемого схемой 17 в шину 10, когда возрастает вторичный ток трансформаторов Т1, Т2 или Т3. Схема регулирования 17 содержит транзистор 18 и диод 19, подсоединенные последовательно между ее входом и выходом, и устройство управления 20, подсоединенное к базе транзистора 18 для управления подачей тока в шину 10. Устройство управления 20 управляет транзистором 18 при прерывании. Оно содержит вход, подсоединенный с помощью линии синхронизации S к регулятору амплитудного ограничения 16. В данном варианте осуществления изобретения устройство управления синхронизировано регулятором амплитудного ограничения 16. Когда регулятор выявляет увеличение сетевого напряжения, он отпирает транзистор 15 для отведения входного тока схемы электропитания 7 и посылает сигнал в устройство 20 для блокирования выходного тока схемы регулирования 17. Поступающий со схемы регулирования 17 ток синхронизирован с зарядкой конденсатора 14. Когда транзистор 15 заперт, ток с трансформаторов и ток со схемы 17 складываются для зарядки конденсатора 14 и повышают напряжение шины 10. Во время разрядки конденсатора ток с трансформаторов отводится в шину 0, а ток, поступающий со схем 9 и 17, оказывается равным нулю. Время, в течение которого заряжается конденсатор 14, зависит от величины тока, поступающего с трансформаторов тока, и от величины тока, поступающего со схемы 17. Средняя величина тока, поступающего со схемы 17, зависит от частоты цикла, соответствующего времени зарядки и разрядки конденсатора 14. Схема 17 обеспечивает ток для шины 10 только во время зарядки конденсатора. Когда ток, поступающий с трансформаторов, возрастает, время зарядки конденсатора снижается и средняя величина тока, поступающего со схемы 17, уменьшается. На фиг. 3 показан другой вариант осуществления устройства расцепления, соответствующего изобретению. Выход схемы регулирования 17 подсоединен ко входу первой схемы электропитания 7. Регулятор 16 содержит первый компаратор 21 с гистерезисом, предназначенный для сравнения напряжения шины 10 с опорным напряжением и управления транзистором 15. Схема 17 содержит управляемый ограничитель тока 22, подсоединенный между входом и выходом схемы 17. Схема управления 20 содержит второй компаратор 23, имеющий первый вход, подсоединенный к выходу схемы 17, второй вход, подсоединенный к опорному напряжению, и выход, подсоединенный к ограничителю тока 22 для управления выходным током схемы 17. Синхронизация схемы управления 20 с регулятором амплитудного ограничения 16 осуществляется с помощью подсоединения между выходом схемы 17 и входом схемы 7. Когда конденсатор должен заряжаться, компаратор 21 запирает транзистор 15. Ток с трансформаторов Т1, Т2 или Т3 в этом случае направляется к конденсатору 14 и в шину 10. Компаратор 23 схемы 20 выявляет высокое напряжение vt на выходе схемы 17 (напряжение на выводах транзистора 15, который заперт) и дает команду подавать ток со схемы 17 на вход схемы 7. Ток, поступающий со схемы 17, складывается с током, поступающим с трансформаторов тока. Как только напряжение vс на выводах конденсатора 14, то есть напряжение в шине 10 достигнет заранее установленного порогового значения, компаратор 21 отпирает транзистор 15 для отведения входного тока схемы 7. Короткое замыкание, достигаемое с помощью транзистора 15, обеспечивает падение напряжения vt на входе схемы 7 и на выходе схемы 17. Компаратор 23 обнаруживает это низкое напряжение, обусловленное коротким замыканием, и отключает ограничитель тока 22 для прерывания подачи тока на вход схемы 7. Как и в первом варианте осуществления изобретения, схема 17 подает ток в шину 10 только во время зарядки конденсатора. В этом случае ток течет через первую схему электропитания 7. Показанный на фиг. 3 конкретный вариант осуществления второй схемы электропитания 9 содержит выпрямительную схему 24, подсоединенную к внешнему источнику 11, ограничитель напряжения 25, подсоединенный к выходам выпрямительной схемы, и прерыватель 26, подсоединенный к выходам ограничителя 25 и подающий напряжение на вход схемы 17. Выпрямитель 24 содержит входы, подсоединенные к внешнему источнику 11, и выходы, выдающие постоянный ток или поляризованное напряжение. Источник 11 может быть источником постоянного или переменного тока, однофазным или трехфазным. Схема 25 ограничивает максимальное значение напряжения постоянного тока, подаваемое на входы прерывателя 26. Прерыватель 26 содержит трансформатор 27, имеющий первичную обмотку 28 и вторичную обмотку 29. Первичная обмотка подсоединена ко входам прерывателя и запитывается посредством электронного генератора 30. Вторичная обмотка подсоединена к схеме 17 с помощью выпрямительного диода 31. Трансформатор 27 гальванически изолирует источник 11 от расцепляющего устройства. Прерыватель предпочтительно функционирует по методу обратного хода. На фиг.4а-4с представлены сигналы, иллюстрирующие электропитание устройства расцепления, соответствующего изобретению. На фиг.4а показан ток Itс, подаваемый трансформаторами тока. Между моментами времени t0 и t1 ток равен нулю. Между моментами времени t1 и t2 ток имеет небольшую амплитуду, а между моментами времени t2 и t3 ток имеет большую амплитуду. На фиг. 4в показан режим работы транзистора 15 и соответствующее напряжение на его выводах vt cостояние 1 означает, что транзистор 15 заперт, и что напряжение vt имеет высокий уровень, примерно соответствующий напряжению в шине 10. Состояние 0 означает, что транзистор 15 открыт, и что напряжение vt очень низкое, близкое к нулю. На фиг.4с показан сигнал vс, отображающий напряжение в шине 10, или напряжение на выводах конденсатора 14. Изменения напряжения vс представляют зарядку и разрядку конденсатора 14. На фиг.4d показан ток IS, поступающий со схемы регулирования 17. Между моментами времени t0 и t1 ток ltc равен нулю, и устройство расцепления снабжается только током, поступающим со схемы 17. Время зарядки конденсатора велико и в каждом цикле зарядки-разрядки конденсатора время подачи тока I больше, чем время, в течение которого упомянутый ток I отключен. В представленном варианте осуществления изобретения в момент времени t0 конденсатор 14 уже зарядился до напряжения, близкого к пороговому напряжению, управляющему отпиранием транзистора 15, внешнее электропитание уже функционирует. Между моментами времени t1 и t2, ток Itс слабый, устройство расцепления запитывается током IS и током ltc. Продолжительность питания током IS на цикл меньше, чем между моментами времени t0 и t1. Следовательно, средний ток, поступающий со схемы 17 в шину 10, уменьшается. Между моментами времени t2 и t3 ток ltc большой, время зарядки снижается, продолжительность питания током I на цикл меньше, чем продолжительность отключения упомянутого тока IS, и короче, чем между моментами времени t1 и t2. Следовательно, средний ток, подаваемый схемой 17 в шину 10, снижается еще больше. На фиг. 5 показана подробная схема конкретного варианта осуществления источника электропитания устройства расцепления по фиг.3. На этом чертеже показан только трансформатор T1. Выпрямитель 3а представлен четырьмя диодами 32, 33, 34 и 35, соединенными в виде двухполупериодного выпрямителя. Катоды диодов 32 и 33 обеспечивают положительный ток в шину 12, подсоединенную к транзистору 15 и диоду 13. Аноды диодов 34 и 35 принимают ток обратной связи через измерительный резистор 36 и опорную шину 0. Регулирующая схема 16 содержит компаратор 21, работающий в соответствии с циклом гистерезиса. Резисторы 37, 38 и 39 подсоединены между неинвертирующим входом и соответственно выходом компаратора, шиной 0 и шиной 10, таким образом определяя пороговое значение и окно гистерезиса. Стабилитрон 40, подсоединенный между инвертирующим входом и шиной 0, устанавливает опорное напряжение компаратора. Полярность напряжения на диоде 40 определяется резистором 41, подсоединенным между шиной 10 и катодом упомянутого диода. Конденсатор 42, подсоединенный параллельно диоду 40, улучшает работу при включении электропитания. Полярность выходного сигнала компаратора определяется резистором 43, соединяющим выход упомянутого компаратора с шиной 10. Стабилитрон, подсоединенный между выходом компаратора 21 и затвором транзистора 15, ограничивает управляющее напряжение транзистора. Полярность напряжения на затворе транзистора 15 и стабилитрона 44 определяется резистором 45, соединяющим затвор транзистора 15 с шиной 0. Прерыватель 26, только часть которого представлена на фиг.5, обеспечивает поляризованное напряжение. Это напряжение является напряжением постоянного тока или обычно в форме импульсов. Напряжение прерывателя подается на ограничитель тока 22 по шине 46. Ограничитель 22 содержит транзистор 47, имеющий эмиттер, подсоединенный к шине 46 через резистор 48. Напряжение базы транзистора 47 определяется стабилитроном 49, подсоединенным между упомянутой базой и шиной 46, и поляризующим резистором 50, подсоединенным между анодом диода 49 и шиной 0. Величина ограниченного тока определяется выражением: (V2-Vве)/R, где v2 – напряжение стабилитрона 49, Vbe – напряжение между базой и эмиттером транзистора 47, а R – величина сопротивления резистора 48. Выходной сигнал ограничителя тока подается на коллектор транзистора 47. Ограниченный ток протекает через диод 51 и затем суммируется с током от трансформаторов в шине 12. Резистор 52, подсоединенный между коллектором транзистора 47 и шиной 46, обеспечивает запуск и регулировку напряжения в шине 10, когда ток питания обеспечивается только схемой 17. Управляющая схема 20 содержит компаратор 23 и управляющий транзистор 58. Инвертирующий вход компаратора подсоединен к общей точке мостовой схемы резистивного делителя напряжения, образованной резисторами 53 и 54. Резистор 53 подсоединен между общей точкой и шиной 10, а резистор 54 подсоединен между шиной 0 и общей точкой. Конденсатор 55 подсоединен к выводам резистора 54 для фильтрации напряжения мостовой схемы делителя напряжения. Мостовая схема резистивного делителя напряжения 53, 54 подает опорное напряжение на инвертирующий вход компаратора 23. Неинвертирующий вход компаратора 23 подсоединен к выходу ограничителя 22, другими словами, к коллектору транзистора 47. Выход компаратора 23 подсоединен к управляющему затвору транзистора 58 с помощью резистора 56. Поляризующий резистор 57 подсоединен между затвором и истоком транзистора 52. Когда транзистор 15 заперт, напряжение в шине 12 имеет высокое значение, неинвертирующий вход компаратора 23 находится под напряжением, превышающим опорное напряжение, приложенное к его инвертирующему входу, и компаратор 23 не отпирает транзистор 58. Ограничитель тока 23 в этом случае подает ток, который суммируется с током трансформатора Т1. Если напряжение в шине 12 повышается, компаратор 21 отпирает транзистор 15. Напряжение неинвертирующего входа компаратора 23 становится ниже опорного напряжения, приложенного к его инвертирующему входу. Тогда выходной сигнал компаратора 23 отпирает транзистор 58, который закорачивает стабилитрон 49. При этом транзистор 47 запирается и ограничитель тока обеспечивает только очень слабый ток, текущий через резистор 52. Соответствующее изобретению устройство расцепления содержит трансформаторы тока с магнитопроводами, которые обеспечивают как сигналы измерения тока, так и электропитание. В других вариантах осуществления соответствующее изобретению расцепляющее устройство может содержать воздушные трансформаторы типа трансформаторов тороидального типа Роговского для измерения тока и трансформаторы с магнитопроводом для обеспечения электроэнергии. В описанных выше вариантах осуществления изобретения схемы устройства расцепления снабжаются электропитанием посредством единственной шины электропитания 10, но возможны соответствующие изобретению устройства расцепления, содержащие несколько шин электропитания, предусмотренные для разных схем и имеющие разные напряжения. Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
