УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ АППАРАТУРЫ ОТ ПЕРЕПАДОВ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОСЕТИ

Полезная модель относится к области электронной техники и может быть использована для защиты бытовой радиоэлектронной аппаратуры от перепадов напряжения, возникающих в электросети из-за переходных процессов при нормальных и аварийных коммутациях потребителей.
Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленной полезной моделью признаков.
Известно устройство защиты от перенапряжений, содержащее управляемый разрядный промежуток, соединенный последовательно с рабочим сопротивлением, в котором в качестве управляемого разрядного промежутка используется вакуумный управляемый разрядник, а рабочее сопротивление выполнено в виде параллельно соединенных нелинейного сопротивления R и линейного сопротивления Z, содержащего активную и реактивную составляющую, см. патент РФ №4835230.
Известны средства защиты радиоэлектронной аппаратуры от импульсных коммутационных перенапряжений (ИКП) большой энергии, возникающих в сетях питания постоянного тока. Так известно устройство защиты радиоэлектронной аппаратуры от импульсных коммутационных перенапряжений, содержащее в цепи питания защищаемого потребителя последовательно соединенные мощный высоковольтный электронный ключ и датчик тока, которое характеризуется тем, что в него дополнительно введены выходной LC-фильтр, а также соединенное с ключом устройство управления, один вход которого подключен к выходу датчика тока, а второй - к выходу устройства контроля напряжения, входы которого соединены соответственно со входом и выходом устройства защиты, см патент РФ №2309534.
Известны средства, обеспечивающие электропитание электротехнической аппаратуры, осветительных сетей, систем связи, автоматики и телемеханики, жилых и общественных зданий с целью оптимизации работы электрооборудования и энергосбережения. Известен, например, стабилизатор переменного напряжения с элементами защиты, содержащий регулировочный узел, который включает трансформатор, коммутирующий блок в виде двух коммутирующих элементов, каждый из которых выполнен в виде пары соединенных последовательно размыкающих и замыкающих контактов, шунтирующий и выходной конденсаторы и четыре RC-цепи, а также узел управления и коммутации, при этом первичная обмотка трансформатора через коммутирующий блок подключена к входу и выходу регулировочного узла, а вторичная обмотка трансформатора включена в цепь нагрузки, кроме того, первичная обмотка подключена параллельно вторичной обмотке разноименными выводами через размыкающие контакты коммутирующих элементов, также параллельно первичной обмотке трансформатора подключен шунтирующий конденсатор, а параллельно каждому контакту коммутирующих элементов включена RC-цепь, при этом выходной конденсатор включен параллельно нагрузке, который характеризуется тем, что в него введен силовой двухполюсный автомат с независимым расцепителем, контакты которого включены последовательно в цепь нагрузки на входе и выходе регулировочного узла между фазным проводом сети и входом регулировочного узла и между нагрузкой и выходом регулировочного узла, кроме того, введен дополнительный узел защиты, подключенный входом к точке соединения первого силового двухполюсного автомата с входом регулировочного узла, а выходом - к нейтральному проводу сети, при этом дополнительный узел защиты содержит первый, второй и третий контакты трехполюсного автомата защиты, которые подключены между нейтральным проводом и точкой соединения замыкающих контактов обоих коммутирующих элементов и между выводом первичной обмотки трансформатора и точкой соединения пары замыкающего и размыкающего контактов второго коммутирующего элемента, см. патент РФ №2377630.
Известные устройства не обеспечивают защиту нагрузки, которой может быть аппаратура или электрооборудование, от перепадов напряжения в питающей электросети при снижении напряжения сети ниже минимально допустимого.
В современной аппаратуре и бытовой электротехнике, как правило, применяются импульсные источники питания, обладающие высоким коэффициентом полезного действия. Однако для аппаратуры с импульсными источниками питания опасно как превышение напряжением сети максимально допустимого уровня, так и снижение напряжения сети ниже минимально допустимого уровня, при котором возможно прекращение работы опорного генератора источника питания и выход из строя электронных ключей вследствие недопустимой величины сквозного тока через ключи при неработающем генераторе.
Полезная модель решает задачу защиты аппаратуры и электрооборудования от перепадов напряжения в питающей электросети как при превышении напряжением сети максимально допустимого уровня, так и при снижении напряжения сети ниже минимально допустимого уровня.
Сущность заявляемой полезной модели выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Устройство для защиты аппаратуры от перепадов напряжения в электросети, содержащее электронный ключ, к входу которого подключен входной линейный (фазный) провод электросети, а к выходу - выходной линейный (фазный) провод электросети, первый делитель напряжения, включенный между входным линейным проводом и нейтральным проводом электросети, цепь из последовательно соединенных выпрямителя, стабилизатора напряжения и второго делителя напряжения, включенную между первым выходом первого делителя напряжения и нейтральным проводом электросети, амплитудный детектор, вход которого подключен к второму выходу первого делителя напряжения, первый компаратор напряжения, неинвертирующий вход которого подключен к первому выходу второго делителя напряжения, второй компаратор напряжения, инвертирующий вход которого подключен к второму выходу второго делителя напряжения, а неинвертирующий вход, совместно с инвертирующим входом первого компаратора - к выходу амплитудного детектора, и схему И, входы которой подключены к выходам компараторов напряжения, а выход - к управляющему входу электронного ключа.
За счет реализации отличительных признаков полезной модели достигается технический результат, заключающийся в том, что заявленное устройство автоматически осуществляет оценку амплитудных значений напряжения сети, поступающего на его вход, и определяет требуемые коэффициентов деления первого и второго делителей с учетом заданного допустимого отклонения напряжения электросети от номинального.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства.
Устройство для защиты от перепадов напряжения в электросети содержит электронный ключ 1, первый делитель 2 напряжения, выпрямитель 3, второй делитель 5 напряжения, амплитудный детектор 6, первый и второй компараторы 7, 8 напряжения и схему И 9. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, обозначены следующим образом:
диаграмма (а) - напряжение электросети на входе устройства защиты;
диаграмма (б) - напряжение на выходе амплитудного детектора 6;
диаграмма (в) - напряжение на выходе первого компаратора 7 напряжения;
диаграмма (г) - напряжение на выходе второго компаратора 8 напряжения;
диаграмма (д) - напряжение на выходе схемы И 9 и управляющем входе электронного ключа 1;
диаграмма (е) - напряжение на выходе устройства защиты.
Устройство защиты от перепадов напряжения в электросети работает следующим образом.
оп1
оп2.
При поступлении напряжения электросети (фиг.2а) на вход устройства, напряжение на выходе выпрямителя 3 изменяется в соответствии с изменениями амплитуды напряжения на первом выходе первого делителя 2 напряжения. Стабилизатор 4 напряжения обеспечивает установку на первом и втором выходах второго делителя 5 напряжения и соответствующих входах компараторов 7, 8 двух опорных напряжений U и U
вх
мин
макс
1
3
оп1
оп2
При напряжении электросети U в пределах допустимых значений от U до U (фиг.2а, интервалы времени T, Т) напряжение на выходе амплитудного детектора 6 (фиг.2б) и инвертирующем входе первого компаратора 7 не превышает U, а напряжение на неинвертирующем входе второго компаратора 8 превышает U. При этом, на выходах компараторов 7, 8 сигналы высокого уровня (фиг.2в, г), обеспечивающие установку на выходе схемы И 9 и управляющем входе электронного ключа 1 сигнала высокого уровня (фиг.2д), электронный ключ 1 замкнут и обеспечивает поступление напряжения сети на выход устройства (фиг.2е).
макс
2
оп1
При превышении напряжением электросети максимально допустимого уровня U (фиг.2а, интервал времени Т) напряжение на выходе амплитудного детектора 6 (фиг.2б) и инвертирующем входе первого компаратора 7 превышает U. При этом, на выходе первого компаратора 7 сигнал низкого уровня (фиг.2в), обеспечивающий установку на выходе схемы И 9 сигнала низкого уровня, электронный ключ 1 разомкнут и блокирует поступление напряжения электросети, превышающего максимально допустимый уровень, на выход устройства (фиг.2е).
мин
4
оп2
При снижении напряжения электросети ниже минимально допустимого уровня U (фиг.2а, интервал времени Т) напряжение на выходе амплитудного детектора 6 (фиг.2б) и неинвертирующем входе второго компаратора 8 не превышает U. При этом, на выходе второго компаратора 8 устанавливается сигнал низкого уровня (фиг.2г), обеспечивающий установку на выходе схемы И 9 и управляющем входе электронного ключа 1 сигнала низкого уровня, электронный ключ 1 разомкнут и блокирует поступление напряжения электросети ниже минимально допустимого уровня, на выход устройства (фиг.2е).
a
д
a
д
Принцип работы устройства защиты на основании оценки амплитудных значений напряжения сети, поступающего на его вход, обуславливает необходимость определения требуемых коэффициентов деления первого и второго делителей 2, 5 напряжения на основании амплитудных значений напряжения сети. Номинальное значение амплитуды U ном напряжения сети связано с действующим значением U ном известным соотношением U ном=1,4 14×U ном. Допустимое отклонение напряжения электросети от номинального определяется, как правило, действующим государственным стандартом и задается в процентах или долях от номинального значения. В общем виде, пределы допустимого изменения напряжения сети описываются выражением:
ac
a
a
U=U ном±n U ном,
ac
где U - амплитуда напряжение электросети;
a
U ном - номинальная амплитуда напряжения сети;
n - коэффициент, определяющий допустимое отклонение напряжения сети от номинального, например, n=0,1.
a
a
Максимально допустимая амплитуда U макс и минимально допустимая амплитуда U мин напряжения сети определяются по формулам:
a
a
a
U макс=Uном+nUном;
a
a
a
U мин=U ном - nUном
1
cc
1
1
a
а
cc
Коэффициент деления K для первого выхода первого делителя 2 напряжения выбирается из условия сохранения режима стабилизации стабилизатором 4 его выходного напряжения V при минимально возможном напряжении сети. В соответствии с этим условием коэффициент деления K может быть определен из соотношения K=(U ном - nU ном)/2V.
2
cc
2
a
cc
Коэффициент деления К для второго выхода первого делителя 2 напряжения выбирается из условия, что при номинальном напряжении сети амплитуда напряжения на втором выходе первого делителя 2 напряжения равна половине выходного напряжения стабилизатора V/2. При этом, коэффициент деления определяется из соотношения К=2U ном/V.
2
3
2
cc
2
3
3
2
cc
Напряжение на первом выходе второго делителя 5 напряжения выбирается из условия Uоп1=Ua макс/К, а коэффициент деления для первого выхода второго делителя 5 напряжения определяется из соотношения К=К V/Ua макс. Напряжение на втором выходе второго делителя 5 напряжения выбирается из условия Uоп 2=Ua мин/К, а коэффициент деления К для второго выхода второго делителя 5 напряжения определяется из соотношения К=К V/Ua мин. Постоянная времени амплитудного детектора 6 выбирается из условия быстрого, порядка 5 мс, отключения выхода устройства при превышении напряжением сети максимально допустимого уровня и сравнительно медленного, порядка 50 мс, включения, при снижении напряжения сети.
Эффективность заявленного устройства состоит в том, что оно обеспечивает защиту аппаратуры и электрооборудования как от превышения напряжением электросети максимально допустимого уровня, так и от снижения напряжения сети ниже минимально допустимого уровня, а также обладает высоким быстродействием. Стабилизация опорных напряжений и применение в устройстве защиты компараторов напряжения обеспечивают высокую точность порогов срабатывания устройства на отключение при перепадах напряжения в электросети. Кроме того, устройство обеспечивает возможность защиты аппаратуры и электрооборудования от перепадов напряжения; как в электросетях переменного тока, так и в сетях постоянного тока, таких, как сети питания электронных узлов и электрооборудования транспортных средств. Эффективность защиты не ограничивается частотой питающей электросети 50 Гц, вследствие чего устройство может быть использовано как для защиты корабельной аппаратуры, так и аппаратуры авиационной техники, электропитание которой осуществляется от электросети с частотой 400 Гц.
Коммутируемая мощность ограничивается только электрическими параметрами электронного ключа, например, твердотельного реле, и может достигать десятков киловатт. Например, при применении в качестве электронного ключа твердотельного электронного реле мгновенного действия фирмы Crouzet серии GN (Швеция, каталог ELFA, код поставки 37-448-93), рассчитанного на действующее напряжение 660 В и соответствующее амплитудное значение напряжения коммутации 933 В, а также ток до 100А, устройство обеспечивает защиту аппаратуры и электрооборудования не только от перепадов напряжения в электросети, но и от воздействия на линии электропередач грозовых разрядов значительной мощности.
Устройство позволяет обеспечить эффективную защиту источников питания аппаратуры различного назначения от перепадов напряжения при пусковых режимах дизельных или бензиновых электрогенераторов, например, защиту корабельной аппаратуры от перепадов напряжения при переключении бортовых электрогенераторов или внешней электросети при проведении пуско-наладочных или профилактических работ у причальной стенки. Устройство может найти широкое применение в сетевых панелях питания для группового подключения аппаратуры и электрооборудования, а также в различных сетевых удлинителях для групповой защиты аппаратуры и бытовой электротехники от перепадов напряжения в электросети и воздействия на линии электропередач атмосферного электричества.