ДАТЧИК НАПРЯЖЕНИЙ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ
VOLTAGE SENSOR OF THREE-PHASE NETWORK

Изобретение относится к устройствам защиты трехфазных двигателей от неполнофазной работы и может быть использовано, преимущественно, при разработки новых систем управления, диагностики и защиты от аварийных режимов для шахтных взрывобезопасных магнитных пускателей.
Практика показала, что примерно в 75% случаев выхода двигателей из строя причиной является неполнофазное питание.
Известны устройства защиты двигателей от неполнофазной работы, см., например, "Магнитный пускатель", патент РФ №2295187, от 2007.03.10; "Магнитный пускатель", патент РФ №2195762, от 2002.12.27.
Однако они усложняют конструкцию и увеличивают время на определение места возникшей аварийной ситуации, так как взрывобезопасная оболочка современного шахтного магнитного пускателя состоит из четырех трудно вскрываемых отделений с ограниченными объемами, где возможны нарушения силовой цепи.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является датчик напряжений трехфазной сети, содержащий микроконтроллер, источник питания, три резисторных делителя напряжений, каждый из которых состоит из резистора, диода и другого резистора, один вывод каждого делителя подключен к соответствующим выводам трехфазной сети, вторые выводы делителей соединены вместе и подключены к минусу источника питания, а выход каждого делителя соединен с отдельным аналоговым входом микроконтроллера, параллельно которым подключены конденсаторы и стабилитроны, цифровые выходы микроконтроллера подключены к блоку управления и к светодиодному блоку индикации (см. Н.И.Заец. Радиолюбительские конструкции на PIC микроконтроллерах, книга 2, издат. «СОЛОН-Пресс». М., 2005, стр.96, рис 30), принято за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится то, что оно имеет низкое быстродействие из-за наличия конденсаторов, подключенных параллельно аналоговым входам микроконтроллера, отсутствует возможность контроля трехфазной сети на входе и выходе отделения разъединителя (или отделения аппаратуры), невозможность контроля низких напряжений (порядка десятых и сотых долей вольта), например, от не трансформаторных датчиков тока из отделения разъединителя, не предусмотрена возможность передачи на главный блок управления по двухпроводной линии связи данных о наличии и величине напряжений на всех шести контролируемых точках трехфазной сети с гальванической развязкой между их источниками питания.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы увеличить быстродействие датчика напряжений трехфазной сети, расширить его функциональные возможности, увеличив число контролируемых точек, обеспечив возможность контроля низких напряжений и передачу информацию о наличии и величине всех контролируемых датчиком напряжений на головной блок управления по двухпроводной линии связи с гальванической развязкой их источников питания.
Для решения поставленной задачи в известный датчик напряжений трехфазной сети, содержащий наружный или внутренний стабилизированный источник питания, микроконтроллер, три резисторных делителя напряжений, первую группу входов, к которым подключены первые выводы делителей, а вторые выводы этих делителей соединены вместе и подключены к минусу стабилизированного источника питания, дополнительно введена вторая группа входов, к которым подключены первые выводы других делителей напряжения, вторые выводы которых также соединены вместе и подключены к минусу стабилизированного источника питания, причем каждые два резистора всех делителей напряжения соединены непосредственно между собой, их общие точки соединения подключены к отдельным аналоговым входам микроконтроллера, а первая группа входов через другие резисторы дополнительно подключена к цифровым входам указанного микроконтроллера, выход которого с помощью блока гальванической развязки и линии связи соединен с блоком управления и индикации.
В качестве источника питания может быть использован как стабилизированный блок питания, расположенный вне корпуса датчика напряжений, так и внутренний стабилизированный источник питания, который соединен с выходом трехфазного диодного моста, подключенного к первой группе из трех выводов с помощью ограничительных элементов.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что оно содержит новые блоки и элементы со своими связями, что позволяет повысить быстродействие и расширить функциональные возможности. Таким образом, заявляемое решение соответствует критерию изобретения «новизна».
При проведении дополнительного поиска известных решений не были выявлены признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявляемого устройства. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «Изобретательский уровень».
Проведенные испытания экспериментальных образцов подтвердили достижение требуемого технического результата и правильность выбора вариантов принципиальных схем.
На чертеже изображена принципиальная схема датчика напряжений трехфазной сети с внутренним источником питания.
Датчик напряжений трехфазной сети содержит наружный или внутренний стабилизированный источник питания 1, микроконтроллер 2 с выходом на блок управления и сигнализации, три резисторных делителя напряжения 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8, первую группу входов 9, 10, 11, к которым подключены первые выводы делителей, а вторые выводы этих делителей соединены вместе и подключены к минусу 12 стабилизированного источника питания 1, датчик напряжений снабжен дополнительно второй группой входов 13, 14, 15, к которым подключены первые выводы других делителей напряжения 16 и 17, 18 и 19, 20 и 21, вторые выводы которых также соединены вместе и подключены к минусу 12 стабилизированного источника питания 1, причем каждые два резистора всех делителей напряжения соединены непосредственно между собой, их общие точки подключены к отдельным аналоговым входам 22, 23, 24 и 25, 26, 27, а первая группа входов 9, 10, 11 через другие резисторы 28, 29, 30 дополнительно подключена к цифровым входам 31, 32, 33 микроконтроллера 2, выход которого с помощью блока гальванической развязки 34 и линии связи 35, 36 соединен с блоком управления и индикации по каналу типа RS-232 или др. (см. Фрунзе А.В. «Микроконтроллеры? Это же просто», том 1, 2002 г., с.306).
В случае, когда стабилизированный источник питания 1 расположен в одном корпусе с датчиком напряжений, он соединен с выходом трехфазного диодного моста 37, подключенного к первой группе входов через ограничительные элементы 38, 39, 40.
Блок гальванической развязки 34 подключен к линии связи 41 с помощью выводов 35, 36 и содержит две транзисторные оптопары 42, 43, резисторы 44, 45, 46. Другие варианты блока гальванической развязки 34 могут быть выполнены с использованием диодно-транзисторных оптопар, оптоэлектронных переключателей, оптоэлектронных коммутаторов и др.
Внутренний стабилизированный источник питания 1 включает в себя трехфазный диодный мост 37, подключенный к первой группе входов 9, 10, 11 трехфазной сети с помощью ограничительных элементов (например, резисторов или конденсаторов или резистор+конденсатор и др.) 38, 39, 40, к выходу которого подключена традиционная схема, состоящая из стабилизатора 47, стабилитрона 48 и конденсаторов 49, 50, 51.
Датчик напряжений в трехфазной сети работает следующим образом. При наличии напряжений на выводах 9, 10, 11 трехфазной сети микроконтроллер 2 через цифровые входы 31, 32, 33 фиксирует начало положительного полупериода на каждом выводе 9, 10, 11 трехфазной сети, затем отсчитывается задержка около 5 миллисекунд (1/4 периода) для каждой фазы трехфазной сети отдельно, через аналоговые входы 22, 23, 24 и 25, 26, 27 измеряется амплитудное значение напряжений в каждой фазе отдельно для первой 9, 10, 11 и второй 13, 14, 15 группы входов кодируются значения каждой фазы отдельно и транслируются блоком гальванической развязки 34 через линию связи 40 (выводы 35, 36) на блок управления и индикации (на схеме не указано).