ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ФИЛЬТР ИМПУЛЬСНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
INTELLECTUAL FILTER OF PULSE SWITCHING OVERVOLTAGES

Изобретение относится к области электротехники и силовой промышленной электроники и, в частности, к фильтрам активного подавления импульсных коммутационных перенапряжений и помех, обеспечивающих эффективную защиту ответственного и особо чувствительного к перенапряжениям и помехам оборудования от неблагоприятных воздействий со стороны систем электропитания. Изобретение может быть использовано для защиты потребителей электроэнергии постоянного тока от воздействия импульсных коммутационных перенапряжений, возникающих в питающей сети при коммутации ее нагрузок: включение потребителей электроэнергии, выключение индуктивных цепей (электродвигатели большой мощности, трансформаторы и т.д.), в аварийных режимах (аварийные короткие замыкания в сети с последующим отключением защитными устройствами), при грозовых разрядах, а также для ограничения в переходных режимах токов входных цепей разнообразных нагрузок (статические преобразователи напряжения, автономные инверторы и т.д.).
Известно устройство для защиты от импульсных перенапряжений (Патент РФ на полезную модель №42921 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ от 02.08.2004, МПК 7 Н02Н 9/04, ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»).
Устройство для защиты от импульсных перенапряжений состоит из параллельно включенных первого варистора и симметричного защитного диода, разделенных индуктивностью, и последовательно соединенных диода и второго варистора, подключенных параллельно нагрузке.
Известно также устройство для защиты от импульсных коммутационных перенапряжений (Патент РФ на полезную модель №43108 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ от 02.08.2004, МПК 7 Н02Н 9/04, ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»).
Устройство для защиты от импульсных коммутационных перенапряжений состоит из варистора, бесконтактного ключа и системы управления, причем бесконтактный ключ и варистор соединены последовательно друг с другом.
Общими недостатками этих двух устройств защиты являются следующие:
Принцип действия данных устройств защиты основан на шунтировании нагрузки варистором (полупроводниковый резистор с нелинейной зависимостью проводимости от значения приложенного напряжения) при поступлении из питающей сети импульсных коммутационных перенапряжений. Рассматриваемые устройства обеспечивают эффективную защиту только для определенных значений и определенных скоростей нарастания напряжения помехи, так как каждый конкретный тип варистора рассчитан на определенное рабочее напряжение и предельную рабочую частоту. Помимо этого варисторы меняют свои параметры со временем и при изменении температуры.
Кроме этого, данные устройства защиты относятся к полупроводниковым ограничителям импульсных коммутационных перенапряжений поглощающего типа. В устройствах присутствуют элементы (варистор, варистор с последовательно соединенным диодом, варистор с последовательно соединенным бесконтактным ключом), которые для подавления помех (при срабатывании защиты) производят поглощение и преобразование в тепло электрической энергии импульсных коммутационных перенапряжений. Поэтому для обеспечения работоспособности сильно нагреваемых элементов в конструкции устройств должны быть предусмотрены эффективные меры по рассеиванию выделяемой тепловой энергии (радиаторы, вентиляторы и т.д.).
Известно устройство для защиты нагрузки от перенапряжения (Патент РФ №2069436 УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ НАГРУЗКИ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ от 20.11.1996, МПК 6 Н02Н 9/04, Галактионова Т.И., Галактионов Л.Г.).
Устройство для защиты нагрузки от перенапряжения состоит из блока задержки, порогового элемента, формирователя импульсов управления, регулирующего и управляющего транзисторов, пороговой стабилитронно-резистивной цепочки, токозадающего и ограничительного резисторов и диодной матрицы.
Недостатком данного устройства является то, что оно позволяет ограничить амплитуду возникающих импульсно-коммутационных перенапряжений переходного процесса только в конкретных пределах, жестко определяемых примененными в устройстве элементами устройства (определяется типом стабилитрона, соотношением значений сопротивлений резисторов и т.д.).
Наиболее близким по исполнению аналогом, принятым в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является (Патент РФ №2264015 СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ от 02.08.2004, МПК 7 Н02Н 3/20, ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»).
Для реализации способа защиты от импульсных перенапряжений в изобретении предлагается устройство, состоящее из бесконтактного ключа, разрядного диода, дросселя, конденсатора, интегрального и дифференциального устройства, сумматора и порогового элемента.
Сущность предложенного способа защиты от импульсных перенапряжений заключается в ограничении нарастания выходного напряжения при воздействии импульсных перенапряжений в цепи питания путем периодической коммутации нагрузки бесконтактным ключом на достаточно высокой частоте с последующим сглаживанием выбросов напряжения с помощью индуктивно-емкостного фильтра. Причем управляющие сигналы бесконтактного ключа пропорциональны интегралу напряжения на обмотке дросселя и первой производной по времени напряжения на нагрузке.
Недостатками устройства, реализующего способ защиты от импульсных перенапряжений, по прототипу является следующее.
Основным недостатком данного устройства является то, что оно позволяет ограничить амплитуду возникающих импульсных коммутационных перенапряжений только в конкретных пределах, жестко определенных примененными в устройстве элементами. То есть для обеспечения надежной защиты нагрузки, выставляющей конкретные технические требования к качеству питающей сети, требуется подбор дросселя и конденсатора с определенными параметрами и соответствующая этим элементам настройка интегрального и дифференциального устройства, а также порогового элемента.
Кроме этого в устройстве не обеспечивается:
- защита устройства от коротких замыканий и переполюсовки шин питания в питающей сети;
- контроль входного напряжения питающей сети;
- запись параметров переходных (в том числе аварийных) процессов, происходящих в питающей сети;
- возможность передачи контрольной информации о техническом состоянии устройства и питающей сети во внешнюю систему управления.
Задачами изобретения является:
- создание гибкой (перепрограммируемой) автоматической системы управления силовыми цепями устройства защиты нагрузки от импульсных коммутационных перенапряжений и помех;
- защита самого устройства от коротких замыканий и переполюсовки шин питания в питающей сети;
- контроль напряжения питающей сети (перенапряжение, провал/просадка напряжения);
- обеспечение возможности точного поддержания (стабилизации) заданных параметров работы устройства (пороговые значения напряжения, предельное значение скорость нарастания напряжения на нагрузке и т.д.);
- защита самого устройства от токов перегрузки и токов коротких замыканий в нагрузке;
- ограничение в переходных режимах токов входных цепей ответственного оборудования (статические преобразователи напряжения, автономные инверторы и т.д.);
- регистрация (запись в энергонезависимую память автоматической системы управления) параметров переходных процессов, в том числе после аварийного отключения питающей сети;
- обеспечение возможности дистанционного контроля за работой устройства защиты и за параметрами питающей сети;
- обеспечение бесперебойности электропитания автоматической системы управления устройством защиты в течение времени, необходимом для регистрация параметров переходных процессов, в том числе после аварийного отключения питающей сети, а также для передачи контрольной информации о техническом состоянии устройства защиты и питающей сети во внешнюю систему управления.
Поставленные задачи достигаются тем, что в интеллектуальный фильтр импульсных коммутационных перенапряжений, состоящий из силового ключа, разрядного диода, дросселя, конденсатора, датчика контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке, вход силового ключа подключен к положительной шине сети электропитания, выход силового ключа через дроссель подключен к первому входу нагрузки, второй вход нагрузки подключен к отрицательной шине сети электропитания, между точкой соединения силового ключа с дросселем и отрицательной шиной сети электропитания встречно по отношению шинам сети электропитания включен разрядный диод, параллельно нагрузке подключены конденсатор и датчик контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке, введены датчик входного напряжения, защитный диод, датчик тока, микроконтроллер, энергонезависимое запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, часы реального времени, драйвер управления силовым ключом, аналого-цифровой преобразователь, адаптер информационной шины, шина информационного обмена, внешняя система управления и источник бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей; к положительной и отрицательной шине сети электропитания подключены входы источника бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей и входы датчика входного напряжения, между положительной шиной сети электропитания и входом силового ключа согласно по отношению к питанию включен защитный диод, между выходом силового ключа и дросселем включен датчик тока; к первому, второму, третьему и четвертому входу-выходу микроконтроллера подключены соответственно энергонезависимое запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, часы реального времени и адаптер информационной шины, выход микроконтроллера через драйвер управления силовым ключом соединен с управляющим входом силового ключа, к входу микроконтроллера подключен аналого-цифровой преобразователь, к первому, второму и третьему входу аналого-цифрового преобразователя подключены соответственно выход датчика входного напряжения, выход датчика тока и выход датчика контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке, адаптер информационной шины соединен с помощью шины информационного обмена с внешней системой управления; выход источника бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей соединен с входами питания микроконтроллера, оперативного запоминающего устройства, драйвера управления силовым ключом, аналого-цифрового преобразователя и адаптера информационной шины.
Сущность изобретения состоит в ограничении нарастания выходного напряжения интеллектуальным фильтром при воздействии импульсных коммутационных перенапряжений и помех, поступающих из питающей сети, за счет периодической коммутации входного напряжения силовым ключом (обычно - это мощный IGBT-транзисторный ключ) и последующего сглаживания напряжения индуктивно-емкостным фильтром. Необходимая для эффективной работы интеллектуального фильтра коммутация силового ключа обеспечивается быстродействующей автоматической системой управления, созданной на базе микроконтроллера, который анализирует состояние питающей сети, пропускаемый фильтром ток нагрузки и скорость изменения напряжения на нагрузке. Применение микроконтроллера в системе управления позволяет выполнять оперативную перенастройку технических характеристик (перепрограммирование) интеллектуального фильтра как для учета параметров импульсных коммутационных перенапряжений, характерных для различных сетей электропитания, так и для выполнения требований разнообразных нагрузок (ответственных и особо чувствительных к импульсным коммутационным перенапряжениям и помехам) к качеству их электропитания.
Включение в состав интеллектуального фильтра энергонезависимой памяти и источника бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей позволяет зарегистрировать параметры переходных процессов, в том числе хронограмму аварийной потери нагрузкой электропитания и передать во внешнюю систему управления соответствующую контрольную информацию.
На чертеже представлена структурная схема интеллектуального фильтра импульсных коммутационных перенапряжений (ИФИКП).
Согласно чертежу подключенный к сети электропитания 1 интеллектуальный фильтр импульсных коммутационных перенапряжений включает защитный диод 13, силовой ключ 14, датчик тока 15, разрядный диод 16, дроссель 17, конденсатор 18, источник бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей 2, датчик входного напряжения 12, датчик контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке 19, микроконтроллер 6, энергонезависимое запоминающее устройство 3, оперативное запоминающее устройство 4, часы реального времени 5, драйвер управления силовым ключом 10, аналого-цифровой преобразователь 11, адаптер информационной шины 7, шину информационного обмена 8, внешнюю систему управления 9 и нагрузку 20.
Причем вход силового ключа 14 подключен к положительной шине сети электропитания 1, выход силового ключа 14 через дроссель 17 подключен к первому входу нагрузки 20, второй вход нагрузки 20 подключен к отрицательной шине сети электропитания 1, между точкой соединения силового ключа 14 с дросселем 17 и отрицательной шиной сети электропитания 1 встречно по отношению шинам сети электропитания 1 включен разрядный диод 16, параллельно нагрузке 20 подключены конденсатор 18 и датчик контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке 19, к положительной и отрицательной шине сети электропитания 1 подключены входы источника бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей 2 и входы датчика входного напряжения 12, между положительной шиной сети электропитания 1 и входом силового ключа 14 согласно по отношению к питанию включен защитный диод 13, между выходом силового ключа 14 и дросселем 17 включен датчик тока 15; к первому, второму, третьему и четвертому входу-выходу микроконтроллера 6 подключены соответственно энергонезависимое запоминающее устройство 3, оперативное запоминающее устройство 4, часы реального времени 5 и адаптер информационной шины 7, выход микроконтроллера 6 через драйвер управления силовым ключом 10 соединен с управляющим входом силового ключа 14, к входу микроконтроллера 6 подключен аналого-цифровой преобразователь 11, к первому, второму и третьему входу аналого-цифрового преобразователя 11 подключены соответственно выход датчика входного напряжения 12, выход датчика тока 15 и выход датчика контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке 19, адаптер информационной шины 7 соединен с помощью шины информационного обмена 8 с внешней системой управления 9; выход источника бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей 2 соединен с входами питания микроконтроллера 6, оперативного запоминающего устройства 4, драйвера управления силовым ключом 10, аналого-цифрового преобразователя 11 и адаптера информационной шины 7.
В ИФИКП в качестве шины информационного обмена 8 микроконтроллера 6 с внешней системой управления 9 может быть использован интерфейс RS-232 или интерфейс RS-485, или CAN-bus интерфейс распределенных систем реального времени, или интерфейс локальных вычислительных сетей на базе «Ethernet».
Предлагаемый ИФИКП работает в следующих трех основных режимах:
- режим работы с нормальной сетью электропитания (в сети практически отсутствуют импульсные коммутационные перенапряжения и помехи);
- режим активного подавления периодически возникающих и поступающих на вход фильтра из сети электропитания импульсных коммутационных перенапряжений и помех;
- режим работы при аварии в сети электропитания.
Режим работы с нормальной сетью электропитания
При подаче напряжения на вход ИФИКП получает электропитание источник бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей 2, который формирует напряжения, необходимые для обеспечения электропитания микроконтроллера 6, оперативного запоминающего устройства 4, драйвера управления силовым ключом 10, аналого-цифрового преобразователя 11 и адаптера информационной шины 7. После этого из энергонезависимого запоминающего устройства 3 происходит загрузка рабочей программы интеллектуального фильтра в оперативное запоминающее устройство 4, затем микроконтроллер 6 с помощью датчика входного напряжения 12 и аналого-цифрового преобразователя 11 анализирует состояние сети электропитания 1. Далее, определяя с помощью датчика тока 15 значение тока, проходящего через фильтр на нагрузку 20, а с помощью датчика контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке 19 скорость нарастания напряжения на нагрузке 20 (что особенно актуально для исключения недопустимых для изоляции электрических цепей сверхтоков у нагрузки 20, имеющей при включении преимущественно емкостный характер), микроконтроллер 6, воздействуя на драйвер управления силовым ключом 10, производит формирование управляющих ШИМ-сигналов на силовой ключ 14, обеспечивая тем самым плавную подачу напряжения питания на нагрузку 20 (так называемый мягкий пуск). Кроме этого с помощью датчика тока 15 обеспечивается защита самого ИФИКП от токов перегрузки и токов коротких замыканий в нагрузке.
Если в сети электропитания 1 практически отсутствуют импульсные коммутационные перенапряжения и помехи, микроконтроллер 6 полностью открывает силовой ключ 14, который пропускает через себя весь ток нагрузки 20 без ограничений.
Режим активного подавления перенапряжений и помех
В реальных электроустановках большинства сетей электропитания 1 периодически возникают и поступают на вход фильтра и далее на нагрузку 20 импульсные коммутационные перенапряжения и помехи.
В этом случае, анализируя с помощью датчика входного напряжения 12, датчика тока 15, датчика контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке 19, аналого-цифрового преобразователя 11 и часов реального времени 5 параметры импульсных коммутационных перенапряжений и помех (уровень, мощность, длительность и т.д.), микроконтроллер 6 производит формирование управляющих ШИМ-сигналов на силовой ключ 14, которые ограничивают (подавляют) их прохождение через фильтр на нагрузку 20. Помимо этого в ИФИКП осуществляется последующее сглаживание питающего напряжения индуктивно-емкостным фильтром (дроссель 17 и конденсатор 18). Кроме этого микроконтроллер 6, используя информацию от датчика тока 15 и датчика контроля напряжения и формирования сигнала первой производной по времени напряжения на нагрузке 19, обеспечивает ограничение в переходных режимах токов входных цепей ответственного оборудования (статические преобразователи напряжения, автономные инверторы и т.д.).
Для обеспечения непрерывности тока в дросселе 17 и предотвращения недопустимых перенапряжений на силовом ключе 14 при его размыкании (а также при работе ФИКП с нагрузкой 20, имеющей мощные индуктивные цепи: электродвигатели, трансформаторы и т.д.), в фильтре предусмотрен разрядный диод 16.
Режим работы при аварии в сети электропитания
Для защиты ИФИКП от коротких замыканий в питающей сети 1 (отключение ИФИКП от положительной шины поврежденной сети электропитания 1 до восстановления питающего напряжения) и от переполюсовки шин питания сети электропитания 1 предназначен защитный диод 13.
При возникновении аварийной ситуации в сети электропитания 1 (повышение или понижение питающего напряжения до недопустимого уровня, короткое замыкание и т.д.), определяемой с помощью датчика входного напряжения 12, микроконтроллер 6 производит запись параметров переходных процессов в сети электропитания 1 с учетом текущего времени, определяемого с помощью часов реального времени 5, в энергонезависимое запоминающее устройство 3.
После полной потери фильтром питания от сети электропитания 1 (и соответственно полной потери электропитания нагрузкой 20) источник бесперебойного питания со встроенной аккумуляторной батареей 2, используя энергию, запасенную в аккумуляторной батарее, обеспечивает электропитанием микроконтроллер 6, оперативное запоминающее устройство 4, адаптер информационной шины 7 в течение времени, необходимом для завершения регистрации и первичной обработки параметров переходных процессов, а также для передачи контрольной информации о техническом состоянии самого фильтра и питающей его сети во внешнюю систему управления 9. Сформировав соответствующую контрольную информацию для внешней системы управления 9, микроконтроллер 6 с помощью адаптера информационной шины 7 производит ее передачу по шине информационного обмена 8. Анализ данной информации (хронограммы развития и завершения аварии в сети электропитания 1) операторами внешней системы управления 9 позволяет предпринять необходимые меры по своевременному восстановлению электроснабжения нагрузки 20.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый интеллектуальный фильтр импульсных коммутационных перенапряжений может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и схемой (см. фиг.1) на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.
Таким образом, предлагаемый интеллектуальный фильтр может быть использован для защиты разнообразного (ответственного и особо чувствительного к импульсным коммутационным перенапряжениям и помехам) оборудования от неблагоприятных воздействий со стороны систем электропитания в различных областях: военная техника, промышленность, жилищно-коммунальное хозяйство и т.д.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый интеллектуальный фильтр импульсных коммутационных перенапряжений отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и может быть защищен патентом Российской Федерации на изобретение.