Электронный предохранитель
ELECTRONIC FUSE

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в электрических установках в качестве устройства их защиты от перегрузок по току.
Известно устройство токовой защиты, содержащее фазный проводник, нулевой проводник, силовые контакты с катушкой независимого расцепителя, датчик тока, нагрузку, блок питания, усилительный орган, датчик напряжения, датчик перехода синусоиды напряжения через нуль, датчик перехода синусоиды тока через нуль, микроконтроллер, орган индикации состояния электрической сети (Патент РФ №2706421, МПК Н02Н 3/08, публ. 2019 г.).
Недостатком данного устройства является фиксированная задержка срабатывания устройства, независимая от значения тока перегрузки, что противоречит требованиям действующей нормативно-технической документации, в частности, ГОСТ IEC 60331-2-2013.
Наиболее близким к предлагаемому является электронный предохранитель, содержащий трансформаторы тока, входы первичных обмоток которых являются входами устройства, а вторичные обмотки через последовательно соединенные выпрямительное устройство, систему нагрузочных резисторов и схему сглаживания соединены с измерительными входами микроконтроллера, первая и вторая группа установочных входов которого соединены с выходами первого и второго регулировочного средства соответственно, сигнальный выход микроконтроллера соединен с управляющим входом исполнительного устройства, сетевой блок питания, вход которого соединен с выходом выпрямительного устройства, а выход является шиной питания устройства (Патент РФ №2550355, МПК Н02Н 3/04, публ. 2015 г.).
В данном устройстве задержка срабатывания устанавливается в процессе его работы, посредством второго регулировочного средства, в зависимости от допустимого значения тока, которое, в свою очередь, устанавливается первым регулировочным средством. Таким образом, посредством первого и второго регулировочных средств в процессе работы предохранителя устанавливается его время-токовая характеристика.
Недостатком данного устройства является низкая точность реализации время-токовой характеристики срабатывания, обусловленная следующими факторами:
- установкой время-токовой характеристики вручную, следствием чего является практическая невозможность формирования время-токовой характеристики, соответствующей требованиям действующей нормативно-технической документации, во всем возможном диапазоне изменения тока нагрузки;
- высокой вероятностью субъективных ошибок (ошибок оператора) при установке время-токовой характеристики;
- измерением среднеквадратического значения (СКЗ) тока с использованием аналогового преобразователя переменного напряжения в постоянное выпрямительного типа, что не обеспечивает корректное измерение СКЗ при форме тока, существенно отличающейся от гармонической.
Технической задачей является повышение точности реализации время-токовой характеристики электронного предохранителя.
Техническая задача достигается тем, что в электронный предохранитель, содержащий трансформатор тока, входы первичной обмотки которого являются входами устройства, микроконтроллер, исполнительное устройство, введены дифференциальный преобразователь тока в напряжение, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления среднеквадратического значения тока, блок хранения время-токовой характеристики, таймер, блок цифрового интерфейса, блок сопряжения с исполнительным устройством, блок сопряжения с центральным устройством, первая группа входов/выходов которого является цифровыми входами/выходами устройства, а вторая группа входов/выходов соединена со входами/выходами блока цифрового интерфейса, первая группа выходов которого соединены с первой группой входов блока вычисления среднеквадратического значения тока, а вторая группа выходов - с первой группой входов блока хранения время-токовой характеристики, вторая группа входов которого соединена с выходами блока вычисления среднеквадратического значения тока, вторая группа входов которого соединены с выходами аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом дифференциального преобразователя тока в напряжение, входы которого соединены с выходами вторичной обмотки трансформатора тока, выходы блока хранения время-токовой характеристики соединены со входами таймера, выходы которого соединены со входами блока сопряжения с исполнительным устройством, выходы которого соединены с управляющими входами исполнительного устройства, причем аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления среднеквадратического значения, блок хранения время-токовой характеристики, таймер, блок цифрового интерфейса и блок сопряжения с исполнительным устройством являются блоками микроконтроллера.
Технический результат заключается в повышении точности реализации время-токовой характеристики электронного предохранителя за счет полностью автоматизированной и свободной от субъективных ошибок оператора реализации время-токовой характеристики, в соответствии с действующей нормативно-технической документацией; а также за счет независимости время-токовой характеристики от формы тока вследствие оценивания его СКЗ по приведенным далее выражениям (1) и (2).
Сущность заявляемого технического решения поясняется рисунком, на котором приведена структурная схема электронного предохранителя.
Устройство содержит трансформатор 1 тока, дифференциальный преобразователь 2 тока в напряжение, микроконтроллер 3, включающий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, блок 5 вычисления СКЗ тока, блок 6 хранения время-токовой характеристики, таймер 7, блок 8 цифрового интерфейса и блок 9 сопряжения с исполнительным устройством 10, блок 11 сопряжения с центральным устройством (на рисунке не показано).
Входы первичной обмотки трансформатора 1 тока являются входами заявляемого устройства, а выходы его вторичной обмотки соединены со входами дифференциального преобразователя 2 тока в напряжение, выход которого соединен со входом АЦП 4. Выходы АЦП 4 соединены со второй группой входов блока 5 вычисления СКЗ тока, первая группа входов которого соединена с первой группой выходов блока 8 цифрового интерфейса, а выходы соединены со второй группой входов блока 6 хранения время-токовой характеристики, первая группа входов которого соединена со второй группой выходов блока 8 цифрового интерфейса, а выходы - со входами таймера 7. Выходы таймера 7 соединены со входами блока 9 сопряжения с исполнительным устройством 10, выходы которого соединены с управляющими входами исполнительного устройства 10. Входы/выходы блока 8 цифрового интерфейса соединены со второй группой входов/выходов блока 11 сопряжения с центральным устройством. Первая группа входов/выходов блока 11 сопряжения с центральным устройством является цифровыми входами/выходами устройства.
2
АЦП 4, блок 5 вычисления СКЗ тока, блок 6 хранения время-токовой характеристики, таймер 7, блок 8 цифрового интерфейса, блок 9 сопряжения с исполнительным устройством 10 являются блоками микроконтроллера 3. Формирование связей между ними осуществляется под управлением его программного обеспечения. В качестве АЦП 4 и таймера 7 служат соответствующие блоки микроконтроллера 3, входящие в состав большинства современных микроконтроллеров общего назначения (см, например, STM32F4 - ARM - CortexM4 High-PerformanceMCUs - STMicroelectronics. - Режим доступа: https://www.st.com/content/st_com/en/products/microcontrollers-microprocessors/stm32-32-bit-arm-cortex-mcus/stm32-high-performance-mcus/stm32f4-series.html? querycriteria=productId=SS1577, свободный. Язык английский). В качестве блока 8 цифрового интерфейса может служить любой из блоков стандартного цифрового интерфейса микроконтроллера 3 (SPI, USART, IС и т.п.), а в качестве блока 9 сопряжения с исполнительным устройством 10 - один из портов ввода / вывода микроконтроллера 3 (также см., например, вышеуказанный источник информации). Блок 5 вычисления СКЗ тока может быть реализован на микроконтроллере 3 в виде программного модуля. В качестве блока 6 хранения время-токовой характеристики может служить задаваемая при программировании микроконтроллера 3 область его энергонезависимой памяти данных.
В качестве центрального устройства может служить, например, персональный компьютер.
Заявляемое устройство функционирует следующим образом.
Ток вторичной обмотки трансформатора 1 тока поступает на дифференциальный преобразователь 2 тока в напряжение. Данное напряжение, прямо пропорциональное току первичной обмотки, поступает на вход АЦП 4 микроконтроллера 3. Отсчеты выходного напряжения дифференциального преобразователя 2 тока в напряжение с выходов АЦП 4 поступают на входы блока 5 вычисления СКЗ тока, осуществляющего непрерывное оценивание относительного СКЗ тока первичной обмотки по следующему обобщенному выражению:
где Т - период дискретизации входного напряжения АЦП 4;
1RMSnom
1RMSnom
- интегральная оценка относительного СКЗ тока первичной обмотки трансформатора 1 тока за интервал времени от (m-k)Т до mТ, длительность которого определяется действующей нормативно-технической документацией;  - оценки СКЗ тока первичной обмотки трансформатора 1 тока в соответствующие моменты времени; F{⋅} - функционал вычисления интегральной оценки СКЗ тока первичной обмотки, в качестве которого может служить, например, последовательность процедур медианной фильтрации и усреднения массива оценок СКЗ  (см., например, Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2011. - 768 с.); I - номинальное значение СКЗ тока первичной обмотки. Длительность интервала оценивания относительного СКЗ тока первичной обмотки и значение I задаются при программировании микроконтроллера 3 и, при необходимости, модифицируются в процессе эксплуатации через первую группу входов блока 5 вычисления СКЗ, блок 8 цифрового интерфейса и блок 11 сопряжения с центральным устройством.
Оценки  СКЗ тока первичной обмотки трансформатора 1 тока вычисляются способом «скользящего среднего» по выражению (Кудряшов С.С., Санников Д.П., Тютякин А.В. Оперативный контроль переменных токов нагрузки силовых установок в системах автоматизации и управления технологическими процессами // Информационные системы и технологии. - 2020. - №5 (121) - С. 85-92):
w
1
2
2
где N - количество отсчетов АЦП 4 за интервал оценивания значения   w[⋅] и k- отсчеты усредняющей весовой функции (ВФ) и ее масштабный коэффициент; n=m-(N/2); n=m+(N/2); u[nТ] - отсчеты мгновенных значений выходного напряжения дифференциального преобразователя 2 тока в напряжение в моменты времени nТ;  - коэффициент трансформации трансформатора 1 тока;  - масштабный коэффициент дифференциального преобразователя 2 тока в напряжение.
Вычисляемые по выражениям (1) и (2) значения интегральной оценки относительного СКЗ тока первичной обмотки трансформатора 1 тока при превышении ими единичного значения, т.е. при необходимости отключения нагрузки, по ступают на вторые входы блока 6 хранения время-токовой характеристики. Он представляет собой таблицу, формируемую в энергонезависимой памяти данных микроконтроллера 3 при его программировании и, при необходимости, модифицируемую в процессе эксплуатации через первую группу входов блока 6 хранения время-токовой характеристики, блок 8 цифрового интерфейса и блок 11 сопряжения с центральным устройством. Входным параметром блока 6 хранения время -токовой характеристики является относительное превышение оценкой СКЗ тока первичной обмотки его номинального значения, а выходным параметром - оговариваемая действующей нормативно-технической документацией задержка срабатывания исполнительного устройства 10 при соответствующем значении относительного превышения, т.е. длительность интервала времени между моментом фиксации превышения и моментом срабатывания исполнительного устройства 10, осуществляющего отключение нагрузки. Задержка срабатывания формируется таймером 7, который управляет блоком 9 сопряжения с исполнительным устройством 10. В качестве исполнительного устройства 10, в зависимости от конкретных требований к коммутируемому току и к времени отключения, может служить полупроводниковый или электромагнитный коммутирующий элемент.
Таким образом, результатом введения в известное устройство дифференциального преобразователя 2 тока в напряжение, АЦП 4, блока 5 вычисления СКЗ тока, блока 6 хранения время-токовой характеристики, таймера 7, блока 8 цифрового интерфейса, блока 9 сопряжения с исполнительным устройством 10 и блока 11 сопряжения с центральным устройством является повышение точности реализации время-токовой характеристики электронного предохранителя за счет:
- полностью автоматизированной и свободной от субъективных ошибок оператора реализации время-токовой характеристики в соответствии с действующей нормативно-технической документацией;
- независимости время-токовой характеристики от формы тока за счет оценивания его СКЗ по выражениям (1) и (2).