СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕМЕНТА НАГРУЗКИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CONTROL AND DIAGNOSTICS OF ELECTRIC EQUIPMENT LOAD ELEMENT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к промышленному электрооборудованию и предназначается для контроля и диагностики нагревательных элементов, ламп накаливания и электромагнитных устройств, а также применимо в электрооборудовании транспортных средств.
Известен способ диагностирования электрооборудования, заключающийся в определении его технического состояния непосредственно по "портрету" внешнего низкочастотного электромагнитного поля, при этом сигнал, индуцируемый под действием магнитной напряженности в катушке измерительного элемента, размещенного, например, в зоне лобовых частей обмотки статора электродвигателя, после его преобразования и регистрации сравнивают с исходными величинами внешнего поля, хранящимися в банке данных и соответствующими различным режимам работы электродвигателя (патент РФ №2117957, G01R 31/34, H02K 15/00, 08.1998).
Недостатками известного способа являются узкая направленность диагностирования и сложность его осуществления.
Известен способ контроля параметров указателей поворота автомобиля путем измерения и регистрации импульсных сигналов, возникающих при включении и отключении сигнальных ламп. Посредством миниатюрного электронного устройства регистрируют импульсы отклонения напряжения в бортовой сети автомобиля в моменты коммутации ламп указателей поворота и преобразовывают в удобную для дальнейших измерений форму (патент РФ №94025771, Н05В 37/03, B60Q 11/00, 06.1996).
Недостатком известного способа является узкая направленность контроля.
Известно устройство сигнализации о состоянии нагревательного элемента с регулятором напряжения, содержащее шины питания, к которому подключены последовательно соединенные сигнальная лампа, два резистора и конденсатор, а параллельно сигнальной лампе и резистору подключен нагреватель, который подключен к регулятору напряжения, а регулятор напряжения подключается к шине питания через параллельно подключенные элементы стабилитрон и вторая сигнальная лампа с токоограничивающим резистором (патент РФ №2036514, G08B 21/00, 1995).
Недостатком известного устройства является, например, то, что была бы более качественная информация, если контрольная лампа мигала при обрывах нагревателя.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для контроля и диагностики сигнальной лампы, содержащее источник питания, к которому через промежуточное устройство и коммутационный элемент подключена сигнальная лампа, к общей точке между коммутационным элементом и сигнальной лампой подключен первый токоограничивающий резистор, который через промежуточное устройство соединен с источником питания, и контрольный светодиод через второй токоограничивающий резистор или стабилитрон подключен параллельно сигнальной лампе, а параллельно контрольному светодиоду подключен стабилитрон или резистор (патент РФ №68995, В60Т 11/00, 12.2007, фиг.1).
Аналогом из этого патента выбран чертеж фиг.3, устройство, отличающееся от фиг.1 тем, что между первым токоограничивающим резистором и промежуточным устройством введен диод и коммутирующий транзистор, коллектор транзистора соединен с выходом шлейфа контроля, а к базе транзистора подключен генератор.
Прототипом также является устройство, где рассмотрен способ последовательного контроля и диагностики сигнальной лампы в известном журнале «Радио Любитель», изд. ИЧУП «Радиолига», Минск, автор А.Г.Алексеев, «Панель контроля и диагностики сигнальной лампы на транспортных средствах», 01.2008 г., стр.10.
Недостатком известных устройств аналога и прототипа, к примеру, являются ограниченные возможности по применению в источнике питания переменного тока.
Целью является расширение функциональных возможностей контроля и диагностики элементов нагрузки электрооборудования.
Поставленная цель достигается тем, что в способе контроля и диагностики элемента нагрузки электрооборудования в цепи источника питания переменного или постоянного тока последовательно или параллельно элементу нагрузки подключают контрольный элемент в виде излучающего светодиода или светодиода оптопары, причем светодиод оптопары в источнике питания переменного тока подключают через промежуточный выпрямительной мост к плюсу и минусу диагонали моста, а через ключ оптопары подключают контрольную лампу или звуковой сигнал, а вторую диагональ моста подключают в схему установки контрольного элемента, и в цепь которых - последовательно через токоограничивающие элементы, резистор, стабилитрон, конденсатор по отдельности или производят смешанное подключение, подают контролирующее напряжение источника питания, контрольным элементом, последовательно подключенным с элементом нагрузки, производят диагностику элемента нагрузки на обрыв и контроль отсутствия питания, а в параллельную цепь моста сравнения контрольного элемента и нагрузки подают контролирующее напряжение источника питания через коммутирующий элемент оптопары, которым осуществляют контроль включения питания на нагрузку, а при отсутствии питания производят диагностику на обрыв с эффектом мигания, а светодиод оптопары подключают к задающему генератору.
Выбирают контрольный элемент светодиодный по рабочему току не менее 10÷20 мА, при токе особенно менее одного мА вследствие возможных утечек в процессе эксплуатации могут возникать ложные срабатывания в схеме контроля.
Пример подключения светодиода оптопары в источнике переменного напряжения приведен на фиг.8.
Далее контрольный элемент на излучающем светодиоде (светоизлучающий диод) будет называться контрольный светодиод.
В устройстве для реализации способа, содержащем источник питания переменного напряжения, рабочий нулевой провод которого подключен к общему проводу корпуса, а к фазе через коммутационный элемент подключена общая точка питания элемента нагрузки и контрольного светодиода, который через первый токоограничивающий резистор с элементом нагрузки подключен к общему проводу корпуса, а параллельно контрольному светодиоду подключен защитный элемент в виде стабилитрона или резистора, а питание контролирующей одноименной фазы подключено через оптопару симисторную или тиристорную к общей точке питания элемента нагрузки и контрольного светодиода через второй токоограничивающий резистор, а плюс источника питания подключен к минусу через светодиод оптопары, коммутирующий транзистор генератора или генератор в виде мигающего светодиода и последовательно соединенный токоограничивающий резистор.
Между первым токоограничивающим резистором и общей точкой контрольного светодиода и защитного элемента введен первый ограничительный конденсатор, а между вторым токоограничивающим резистором и оптопарой введен второй ограничительный конденсатор.
Дополнительно в последовательную цепь светодиода оптопары, генератора и токоограничивающего резистора в любую точку между ними введен второй светодиод оптопары.
Между общим проводом корпуса и первым токоограничивающим резистором введен запирающий диод, а между первым токоограничивающим резистором и общей точкой контрольного светодиода и защитного элемента введен дополнительный стабилитрон, а между вторым токоограничивающим резистором и оптопарой введен блокирующий диод, а к оптопаре подключен выход шлейфа контроля.
Между вторым токоограничивающим резистором и блокирующим диодом введен третий токоограничивающий резистор, а общая точка питания элемента нагрузки соединена с общей точкой контрольного светодиода, защитного элемента и второго токоограничивающего резистора через введенный первый диод, а через дополнительный второй диод соединена между вторым и третьим токоограничивающими резисторами.
Общая точка питания элемента нагрузки и защитного элемента соединена с общей точкой контрольного светодиода и второго токоограничивающего резистора через введенный диод.
Дополнительно к контрольному светодиоду встречно подключен диод.
Дополнительно к контрольной точке вывода элемента нагрузки и общему проводу корпуса или общей точке питания нагрузки подключены параллельно малому участку сопротивления нагрузки контрольный светодиод и защитный элемент.
Между контрольным светодиодом и контрольной точкой вывода нагрузки введен токоограничивающий резистор.
Между токоограничивающим резистором и контрольной точкой вывода нагрузки введен ограничительный конденсатор.
Между элементом нагрузки и общим проводом корпуса или общей точкой питания нагрузки введен датчик тока на диодной сборке, а параллельно датчику тока подключен контрольный светодиод.
Контрольный светодиод подключен параллельно датчику тока через введенный токоограничивающий резистор.
Параллельно датчику тока подключен дополнительный резистор.
Техническая сущность поясняется фиг.1-8.
Устройство, показанное на фиг.1, содержит источник питания переменного напряжения. Рабочий нулевой провод N подключен к общему проводу корпуса, а фаза L через коммутационный элемент 1 подключена к общей точке питания элемента нагрузки 2 и контрольного светодиода 5. Контрольный светодиод 5, защитный элемент 4 соединяются через первый токоограничивающий резистор 3 с элементом нагрузки 2 с общим проводом корпуса. Контролирующее напряжение одноименной фазы L через симисторную оптопару 6, второй токоограничивающий резистор 7 подключен с общей точкой питания элемента нагрузки 2, контрольного светодиода 5 и защитного элемента 4. Плюс источника питания через светодиод оптопары 6, коммутирующий транзистор 10 генератора 8 и токоограничивающий резистор 9 подключен к минусу.
Устройство работает следующим образом. Подается напряжение в схему, при отсутствии обрыва элемента нагрузки 2 контрольный светодиод 5 отключен, а пульсирующий ток цепи питания контролирующей фазы L шунтируется через малое сопротивление элемента нагрузки 2, а при обрыве включается в мигающий режим контрольный светодиод 5. Симметричный тиристор оптопары 6 генерируется через управляющий светодиод, который подключен в схему генератора 8. При включении коммутационного элемента 1 включается элемент нагрузка 2, загорается контрольный светодиод 5 накалом постоянного свечения, а пульсирующий ток блокируется напряжением одноименной фазы L.
5
4
3
2
Условие работы - переходные минимальные пороговые напряжения включения (проводимости) на элементах должны соответствовать: U<U. Условие работы выполняется при R>R до сотни раз и более.
Фиг.2 - предпочтительный, между первым токоограничивающим резистором 3 и общей точкой контрольного светодиода 5 и защитного элемента 4 введен первый ограничительный конденсатор 11, а между вторым токоограничивающим резистором 7 и оптопарой 6 введен второй ограничительный конденсатор 12. Веденные конденсаторы (11 и 12) позволяют снижать энергоемкость контрольной схемы.
Данная схема контроля применима только для источника питания переменного напряжения и универсальна для контроля активной и индуктивной нагрузки 2. Коммутирующий элемент оптопары 6 применяется только с симметричным тиристором, притом только на одну нагрузку 2. Для контроля других параллельных нагрузок вводят в последовательную цепь питания светодиода оптопары 6, генератора 8 и токоограничивающего резистора 9 в любую точку между ними дополнительный светодиод оптопары.
Фиг.3 - предпочтительный, между общим проводом корпуса и первым токоограничивающим резистором 3 введен запирающий диод 13, который закрывает проводимость плюса от общего провода корпуса при смене полярности источника питания. Между первым токоограничивающим резистором 3 и общей точкой контрольного светодиода 5 и защитного элемента 4 введен дополнительный стабилитрон 14, который расширяет возможность контроля нагрузки 2 по сопротивлению. Между вторым токоограничивающим резистором 7 и оптопарой введен блокирующий диод 15, который необходим для работы с параллельными нагрузками для блокировки от ложных срабатываний схемы контроля. К оптопаре 6 подключен выход шлейфа контроля 16.
Фиг.4 - предпочтительный для индуктивной нагрузки, между вторым токоограничивающим резистором 7 и блокирующим диодом 15 введен третий токоограничивающий резистор 19. Общая точка питания элемента нагрузки 2 соединена с общей точкой контрольного светодиода 5, защитного элемента 4 и второго токоограничивающего резистора 7 через введенный первый диод 17, а через дополнительный второй диод 18 соединена между вторым и третьим токоограничивающими резисторами (7 и 19).
При включении коммутационного элемента 1 диод 17 запирает прямое напряжение фазы L, а фаза L подается через диод 18, который блокирует пульсирующий ток контрольной схемы, а контрольный светодиод 5 включается постоянным накалом. Резистор 19 защищает оптопару 6 от импульсов высокого напряжения при коммутации.
Фиг.5 - сигнализатор неисправности, общая точка питания элемента нагрузки 2 и защитного элемента 4 соединена с общей точкой контрольного светодиода 5 и второго токоограничивающего резистора 7 через введенный диод 20.
Устройство работает следующим образом. Подается в схему напряжение, при отсутствии обрыва на нагрузке 2 контрольный светодиод 5 отключен. Пульсирующий ток контролирующей фазы L шунтируется через малое сопротивление элемента нагрузки 2. При включении коммутационного элемента 1 включается элемент нагрузки 2, а ток по цепочке через резистор 4 блокирует пульсирующий ток контрольной схемы, а цепь питания контрольного светодиода 5 закрыт диодом 20. При обрыве элемента нагрузки 2 в отключенном положении коммутационного элемента 1 контрольный светодиод 5 включается в мигающий режим.
Дополнительно в сигнализаторе неисправности может подключаться параллельно контрольному светодиоду 5 встречно диод, пример подключения диода 28 фиг.7, для дополнительной защиты от импульсов обратного тока.
Фиг.6 - сигнализатор неисправности и контроль включения нагрузки 2, дополнительно к контрольной точке вывода элемента нагрузки 2 и общей точке корпуса параллельно малому сопротивлению участка нагрузки 2 подключены через ограничительный конденсатор 24 и токоограничивающий резистор 23 дополнительный контрольный светодиод 21 и защитный элемент 22. Контрольный светодиод 21 также может подключаться прямо к выводу к контрольной точке нагрузки 2.
В устройстве подключен альтернативный генератор 8 на мигающем светодиоде типа L-53BID частотой мигания 1,5 Гц.
Малое сопротивление участка нагрузки 2 должно составлять пропорциональную величину падению напряжения, равному номинальному значению питания контрольного светодиода 21, а когда контрольный светодиод 21 подключен через токоограничивающий резистор 23 и ограничительный конденсатор 24, то учитывается общее рабочее падение напряжения цепи контрольного светодиода 21.
Фиг.7 - общая принципиальная схема содержит предложенное устройство генератора 8, сигнализатор неисправности на светодиоде 5 и контроль включения элемента нагрузки 2 на контрольном светодиоде 25.
Устройство генератора 8 содержит источник питания постоянного тока, транзисторный ключ 10. База транзистора 10 через резистор 30 и плюс источника питания через резистор смещения 29 подключены между анодом тиристора 32 и катодом диода 34. Управляющий электрод тиристора 32 через резистор 36 подключен к аноду диода 34, а через резистор 37 подключен к минусу источника питания с катодом тиристора. Общая точка эмиттера транзистора 10 через построечный резистор 33 и токоограничивающий резистор 35 подключена к аноду диода 34, а через второй токоограничивающий резистор 9 подключена к минусу. Коллектор ключа транзистора 10 отличается от прототипа тем, что подключен к плюсу источника питания через светодиод оптопары 6.
Оптимальные условия работы: минимальный ток тиристора 32 через резистор 29 должен составлять 80÷90% от тока удерживания, а остальной удерживающий ток по цепи эмиттера транзистора 10 при меньшем токе тиристор 32 будет закрываться.
Генератор 8 работает в режиме автогенератора. Тиристор 32 открывается током больше удерживающего, а закрывается при токе меньше удерживающего. Положительное смещение через резистор 29 откроет транзистор 10, а плюс эмиттера откроет тиристор 32, который переведет базу транзистора 10 в отрицательное смещение и транзистор 10 закроется, это вызовет закрытие тиристора 32. На базе транзистора 10 вновь будет положительное смещение.
В схеме генератора установлен тиристор КУ101Е или КУ101Г, токи удерживания у которых в основном составляют 2÷5 мА. При токе удерживания более 8 мА необходимо анод тиристора дополнительно подключать к плюсу через балластный резистор задатчика тока. Между резистором задатчика тока и базой транзистора 10 устанавливается запирающий диод.
К примеру, генератор может использоваться в аналоге известного устройства для контроля и диагностики сигнальной лампы.
В схеме контроля включения нагрузки 2 используется датчик тока 26, который является прототипом известного устройства, в котором между коммутационным элементом и сигнальной лампой подключен датчик тока, содержащий один или несколько последовательно соединенных диодов (патент РФ №68995, В60Т 11/00, 12.2007, фиг.7).
Одна половина диодного датчика тока 26, содержащая один или несколько диодов, создает рабочее падение напряжение для контрольного светодиода 25, а вторая половина отличается от прототипа датчика тока тем, что встречно включенный диод проводит рабочий ток нагрузки при смене полярности источника питания.
Контрольный светодиод 25 параллельно датчику тока 26 подключается через дополнительный токоограничивающий резистор 27 в тех случаях, когда на датчике тока 26 рабочее падение напряжение равно или больше рабочего падения напряжения на светодиоде 25.
Параллельно датчику тока 26 подключен дополнительный резистор 27, который устанавливается в тех случаях, когда пульсирующий ток оптопары контролирующей схемы при отсутствии рабочего питания на нагрузке 2 вызывает свечение контрольного светодиода 25. Пример: в качестве нагрузки 2 подключали катушку электромагнита гидропривода с его активным сопротивлением 70 Ом, а в качестве датчика тока использовали быстродействующие диоды КД226Д, два последовательно включенных или три. С двумя последовательно включенными диодами не требовалось устанавливать дополнительный резистор 27. Также учитывается, что при разном рабочем токе диод может иметь различное падение напряжения на переходе анод - катод.
Фиг.8 - пример подключения светодиода оптопары в источнике переменного напряжения для контроля включения питания на катушку электромагнита 2 и диагностика на обрыв с эффектом мигания на контрольной лампе HL1 (КЛ). Принцип работы аналогичен описанию фиг.1. К месту установки контрольного элемента 5 подключена диагональ выпрямительного моста, а к плюсу и минусу подключен светодиод оптопары U1. Через ключ оптопары подключена контрольная лампа накаливания HL1 220 В. Устройство контроля на светодиоде оптопары позволяет не только подключать более мощные сигнальные устройства, но в отличие от контрольного светодиода ключ оптопары открывается при определенном токе через управляющий светодиод, т.е имеет допуск по току. Контрольный светодиод очень требователен к подбору токоограничивающих и блокирующих элементов, так как при небольшом токе появляется свечение светодиода.
Предложенный способ подключения светодиода оптопары, к примеру, может использоваться в качестве датчика для переключающихся устройств.
Данное устройство не имеет сложных конструктивных особенностей, отличается малыми габаритами, простотой исполнения и может устанавливаться в панелях контроля переменного напряжения, а составная часть может использоваться в источниках питания постоянного тока. Основное назначение - использование в промышленном электрооборудовании для контроля и диагностики нагревательных элементов, а преимущественно электромагнитных устройств, в частности пневматические и гидравлические стенды с большим количеством электромагнитов. Также устройство может использоваться для контроля и диагностики, в том числе осветительных и сигнальных ламп накаливания на транспортных средствах.