УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к области детектирования и регулирования напряжения и, в частности, относится к устройству защиты от перенапряжения, которое отсоединяет блок источника питания (блок выпрямителя) от сети питания переменного тока, когда в сети переменного тока происходит бросок напряжения.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В известной технологии существует область технических устройств для защиты оборудования от бросков напряжения, в частности, при включении питания вводится защита от перенапряжения на входе блока электропитания при нормальном рабочем состоянии. Однако существует проблема задержки срабатывания цепей защиты. В результате блок электропитания может быть поврежден или вообще выйти из строя. Кроме того, требуется второй вспомогательный щит управления блока питания, который должен идентифицировать и определять входное напряжение после отключения блока электропитания, чтобы повторно соединить блок электропитания с системой после снижения напряжения в сети питания переменного тока. Однако это приводит к увеличению стоимости и снижению надежности системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание устройства защиты от перенапряжения, обладающего высоким быстродействием и обеспечивающего непосредственную защиту оборудования при включении блока электропитания в сеть переменного тока с тем, чтобы блок электропитания был бы отсоединен от сети переменного тока, если напряжение сети повысится до предопределенного значения (или когда напряжение сети переменного тока и шины постоянного тока достигают предопределенного значения), причем блок электропитания снова подключается к сети питания переменного тока, когда напряжение сети возвращается к определенному значению (или когда напряжения сети переменного тока и шины постоянного тока возвращаются к определенному значению).
Чтобы достичь указанной цели, настоящим изобретением предлагается устройство защиты от перенапряжения, которое содержит выключающее реле и цепь детектирования напряжения. Выключающее реле включено в цепь последовательно между сетью питания переменного тока и корректирующей схемой блока электропитания. Первый узел выборки напряжения цепи детектирования напряжения производит выборку напряжения сети питания переменного тока между сетью питания переменного тока и выключающим реле, при этом выход цепи детектирования напряжения подключен к узлу управления выключающего реле. Когда в сети переменного тока происходит бросок напряжения, выключающее реле отключает блок электропитания от сети питания переменного тока. Когда напряжение сети питания переменного тока возвращается к нормальному значению, выключающее реле возвращается в рабочее состояние.
В качестве усовершенствованного варианта, цепь детектирования напряжения дополнительно содержит второй узел для выборки напряжения с шины постоянного тока блока электропитания. Когда сеть переменного тока и шина постоянного тока находятся в состоянии перенапряжения, выключающее реле отключает блок электропитания от сети питания переменного тока. Когда напряжения сети питания переменного тока и шины постоянного тока находятся в состоянии нормального значения напряжения, выключающее реле находится в рабочем состоянии подключения блока питания к сети.
Как один из вариантов воплощения настоящего изобретения, выключающее реле включается в цепь последовательно между сетью питания переменного тока и цепью фильтра выпрямителя блока питания.
В другом варианте воплощения настоящего изобретения цепь по настоящему изобретению содержит два выключающих реле, включенных последовательно между сетью питания переменного тока и двумя входами цепи коррекции коэффициента мощности. Оба узла управления выключающих реле подключены к выходу цепи детектирования напряжения.
Конкретно, переключатель выключающего реле подключен к одной клемме сети питания переменного тока. Нормально замкнутый контакт выключающего реле соединен с одним входом цепи фильтра выпрямителя, и нормально разомкнутый контакт является плавающим контактом. Первый вывод обмотки выключающего реле соединен с источником постоянного тока, а второй вывод обмотки, который является узлом управления, соединен с выводом цепи детектирования напряжения.
Кроме того, цепь по настоящему изобретению содержит токоограничивающий резистор, включенный последовательно между сетью питания переменного тока и выключающим реле.
Когда цепь по настоящему изобретению выполняет только выборку напряжения из сети питания переменного тока, цепь детектирования напряжения работает как секция детектирования напряжения переменного тока и как секция возбуждения, причем обе секции включены последовательно. Секция детектирования напряжения переменного тока содержит блок выборки напряжения и блок пиковых значений и логической оценки, которые соединены последовательно. Вход блока выборки напряжения используется как узел выборки напряжения цепи детектирования напряжения, а выход секции возбуждения используется как выход цепи детектирования напряжения.
Когда цепь по настоящему изобретению осуществляет выборку напряжения из сети питания переменного тока и шины постоянного тока одновременно, цепь детектирования напряжения включает секцию детектирования напряжения переменного тока, секцию детектирования напряжения шины и секцию управления. Секция детектирования напряжения переменного тока содержит блок выборки напряжения, блок пиковых значений и логической оценки, которые соединены последовательно. Вход блока выборки напряжения и вход секции детектирования напряжения шины используются, соответственно, как первый узел выборки и второй узел выборки напряжения цепи детектирования напряжения. Выход блока пиковых значений и блока логической оценки и выход секции детектирования напряжения шины соединены друг с другом, и управляющий сигнал передается в секцию управления. Вывод секции возбуждения используется как выход цепи детектирования напряжения.
Кроме того, блок выборки напряжения, в основном, содержит первый диод, второй диод, пятый резистор и шестой резистор. Анод первого диода соединен с одним входом сети питания переменного тока. Катод первого диода соединен с катодом второго диода, и также соединен с одной клеммой пятого резистора. Анод второго диода соединен с другим входом сети питания переменного тока. Другая клемма пятого резистора соединена с одной клеммой шестого резистора. Выход блока выборки напряжения соединен с входом блока пиковых значений и блока логической оценки. Другой вывод шестого резистора заземлена.
Кроме того, блок пиковых значений и логической оценки, в основном, содержит первый операционный усилитель и первый компаратор. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с выходом блока выборки напряжения, инвертирующий вход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом первого компаратора, а выход первого операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом первого компаратора последовательной цепью, состоящей из резистора и диода для удержания пикового значения. Инвертирующий вход первого компаратора соединен с источником опорного сигнала, неинвертирующий вход первого компаратора соединен с его выходом последовательной цепью, состоящей из резистора и диода, и выход первого компаратора используется как выход блока пиковых значений и блока логической оценки. Инвертирующий вход первого операционного усилителя и инвертирующий вход первого компаратора заземлены через параллельную резистивно-емкостную цепь.
Кроме того, секция возбуждения представляет собой переключающий транзистор. База переключающего транзистора используется как вход секции возбуждения и заземлена через резистор. Коллектор переключающего транзистора используется как выход секции возбуждения и подключен к узлу управления выключающего реле. Эмиттер переключающего транзистора заземлен.
Далее, секция детектирования напряжения содержит второй компаратор. Неинвертирующий вход второго компаратора используется как второй вход цепи детектирования напряжения и соединен с выходом второго компаратора последовательной цепью, состоящей из резистора и диода. Инвертирующий вход второго компаратора соединен со вторым источником опорного сигнала. Вывод второго компаратора используется как выход секции цепи детектирования напряжения.
Устройство защиты от перенапряжения по настоящему изобретению осуществляет выборку значений напряжения с входа блока питания переменного тока и отключает блок электропитания (обычно блок выпрямителя в блоке питания) от сети переменного тока прежде, чем напряжение сети электропитания достигнет критического значения, в результате чего цепь защиты срабатывает прежде, чем напряжение шины достигает своего критического значения, причем реле может работать, даже если среди всех компонентов блока питания работает только вспомогательный источник питания. Цепь по настоящему изобретению одновременно детектирует напряжение шины постоянного тока, которое используется как один из факторов для определения, должно ли реле быть отключено. Таким образом, можно избежать ложного срабатывания защиты при переходных процессах с повышением напряжения. При этом цепь по настоящему изобретению непрерывно контролирует напряжение сети питания переменного тока (или одновременно контролирует напряжение на шине постоянного тока) после того, как блок электропитания отсоединен от сети питания переменного тока, и повторно подключает блок электропитания к сети питания переменного тока, когда напряжение сети питания переменного тока возвращается к нормальному значению, таким образом, прекращая работу реле 1 в режиме отключения. Цепь по настоящему изобретению всегда сохраняет вспомогательный источник питания блока в рабочем состоянии путем заряда емкости шины. Блок пиковых значений используется в цепи детектирования напряжения 2 таким образом, что блок электропитания сохраняет точную величину выборки после того, как блок электропитания отсоединен от сети питания переменного тока. При этом последовательное соединение выключающего реле 1 и токоограничивающего резистора сглаживает пусковой ток и ограничивает напряжение заряда, и также обеспечивает защиту реле и уменьшает массу реле, снижая, таким образом, стоимость всей системы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фигура 1 - блок-схема цепей устройства защиты от перенапряжения, отключающего сеть согласно варианту 1 воплощения изобретения.
Фигура 2 - принципиальная схема цепи блока выборки напряжения по настоящему изобретению.
Фигура 3 - принципиальная схема блока пиковых значений и логической оценки 23 по настоящему изобретению.
Фигура 4 - принципиальная схема цепи секции возбуждения 21 по настоящему изобретению.
Фигура 5 - блок-схема цепи варианта воплощения 2 настоящего изобретения.
Фигура 6 - блок-схема цепи варианта воплощения 3 настоящего изобретения.
Фигура 7 - принципиальная схема цепи секции цепи детектирования напряжения переменного тока и цепи детектирования напряжения постоянного тока на шине 24 варианта воплощения 3 настоящего изобретения.
Фигура 8 - блок-схема цепи варианта воплощения 4 настоящего изобретения.
Фигура 9 - принципиальная схема, иллюстрирующая блок пиковых значений и логической оценки 23 варианта воплощения 5 настоящего изобретения.
Фигура 10 - волновая картина скачка напряжения на шине, когда блок электропитания работает под действием броска напряжения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ
Настоящее изобретение будет далее описано на примере вариантов его реализации со ссылками на сопровождающие чертежи.
Первый вариант
Как показано на фигуре 1, устройство защиты от перенапряжения по настоящему изобретению содержит выключающее реле 1 и цепь детектирования напряжения 2. Цепь детектирования напряжения 2 содержит секцию детектирования напряжения переменного тока и секцию возбуждения 21, которые соединены последовательно. Секция детектирования напряжения переменного тока содержит блок выборки напряжения 22 и блок пиковых значений и логической оценки 23, которые соединены последовательно.
В этом устройстве выключающее реле 1 включается в цепь последовательно между сетью питания переменного тока и цепью фильтра выпрямителя 4 блока питания и может быть включено в цепь последовательно с любым входным контуром цепи фильтра выпрямителя 4. Переключатель (динамический переключатель) выключающего реле 1 соединен с одной клеммой сети питания переменного тока. Нормально замкнутый контакт b выключающего реле 1 соединен с первым входом цепи фильтра выпрямителя 4, а нормально разомкнутый контакт с выключающего реле 1 является плавающим контактом. Первый вывод обмотки выключающего реле 1 соединен с источником постоянного тока VCC1 через два резистора, соединенные параллельно, и второй вывод обмотки, как управляющий узел, соединенный с выходом цепи детектирования напряжения 2. Реле разъединения 1 также содержит два антипараллельных диода, которые подключены между первым выводом и вторым выводом обмотки выключающего реле 1. Кроме того, выключающее реле 1 содержит токоограничивающий резистор R, включенный последовательно между сетью питания переменного тока и выключающим реле 1. Резистор R используется для сглаживания пускового электрического тока, ограничивая напряжение заряда и для миниатюризации выключающего реле 1. Для этого резистора выбран устойчивый к перенапряжениям резистор. Практически токоограничивающий резистор может быть терморезистором, цементным резистором или их последовательным соединением. Когда напряжение сети питания является нормальным, цепь детектирования напряжения 2 не посылает управляющий сигнал на второй вывод обмотки выключающего реле 1, и через выключающее реле 1 не проходит никакого электрического тока. Сеть питания и последующие цепи подключены через переключатель a и нормально замкнутый контакт b.
Как показано на фигуре 2, блок выборки напряжения 22 содержит шесть резисторов (R1-R6), первый диод D1, второй диод D2, конденсатор фильтра C1 и четвертый операционный усилитель U4, в котором переменный ток преобразуется в полуволновое напряжение блоком выборки напряжения 22 через последовательную цепь, содержащую первый резистор R1, первый диод D1 и второй резистор R2, и последовательную цепь, содержащую третий резистор R3, второй диод D2 и четвертый резистор R4, и это напряжение затем делится пятым резистором R5 и шестым резистором R6. Разделенное напряжение подводится к блоку пиковых значений и логической оценки 23 через четвертый операционный усилитель U4, включенный как повторитель напряжения, причем четвертый операционный усилитель U4 используется для изоляции передней цепи от задней, чтобы предотвратить интерференцию сигналов.
Как показано на фигуре 3, блок пиковых значений и логической оценки 23, в основном, содержит первый операционный усилитель U1 и первый компаратор U2. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя U1 соединен с выходом вышеупомянутого четвертого операционного усилителя U4, а его инвертирующий вход соединен с неинвертирующим входом первого компаратора U2, и выход соединен с неинвертирующим входом первого компаратора U2 через последовательную цепь, включающую седьмой резистор R7 и третий диод D3. Инвертирующий вход первого компаратора U2 соединен с первым источником опорного сигнала VREF1 через девятый резистор R9, и неинвертирующий вход первого компаратора U2 соединен с выходом первого компаратора U2 через последовательную цепь, включающую восьмой резистор R8 и четвертый диод D4, причем выход первого компаратора U2, которой сконфигурирован как выход блока пиковых значений и логической оценки 23, служит для соединения с входом секции возбуждения 21. Инвертирующий вход первого операционного усилителя U1 и вход первого компаратора U2 заземлены через резистивно-емкостную цепь (RC). Первый операционный усилитель U1, седьмой резистор R7 и третий диод D3 выполняют функцию экстремального регулирования, а восьмой резистор R8 и четвертый диод D4 используются для возврата коэффициента передачи выхода на вход компаратора U2. Четвертый диод может быть подключен в обратном порядке, но принцип работы тот же, что b у вышеописанного соединения. Первый источник опорного сигнала VREF1 определяет напряжение защиты. Когда в сети питания переменного тока происходит бросок напряжения, выключающее реле 1 отключается, блок питания и сеть переменного тока также отключаются, и блок выборки напряжения 22 перед отключающим реле 1 может пропускать только одну полуволну так, что форма волны на выходе блока выборки напряжения 22 является асимметричной полуволной. Использование удержания пика может устранить ошибку выборки эффективного значения из-за асимметричной формы волны, вызванной проводимостью полуволной цепи после отключения реле. Фактическое эффективное значение входного порта блока не может быть получено из способа извлечения эффективного значения, когда пиковое значение не соответствует эффективному значению. Например, когда входное эффективное значение напряжения сети питания переменного тока составляет 300 В, выход цепи детектирования эффективного значения будет иметь напряжение 3 В прежде, чем блок питания будет отключен. Когда блок питания отключен, выход цепи детектирования эффективного значения равен 2,4 В из-за асимметричной полуволны, которое вызовет нарушение логики и погрешность цепи детектирования напряжения 2 или, что еще хуже, вызовет повреждение блока питания. При использовании схемы пикового детектирования пиковое значение, по меньшей мере, одной полуволны входного напряжения блока пиковых значений и блока логической оценки 23 соответствует фактическому эффективному значению, даже если полуволны асимметричны, и, таким образом, секция возбуждения 21 может точно вывести управляющий сигнал на выключающее реле 1.
Как показано на фигуре 4, в секции возбуждения 21 используется переключающий транзистор Q1, выполняющий функцию возбуждения. Переключающий транзистор может быть триодом, биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT) и т.д. В данном варианте воплощения настоящего используется триод. База переключающего транзистора Q1, используемая как вход секции возбуждения 21, соединена с выходом вышеупомянутого первого компаратора U2 и соединена с землей через десятый резистор R10. Коллектор переключающего транзистора Q1, используемый как выход секции возбуждения 21, соединен со вторым выводом обмотки выключающего реле 1, и эмиттер переключающего транзистора Q1 заземлен. База переключающего транзистора Q1 также может быть соединена с выходом первого компаратора U2 через обращенный диод.
Таким образом, устройство по настоящему изобретению начинает функционировать при включении блока питания. Напряжение сети питания переменного тока детектируется блоком выборки напряжения 22 в режиме реального времени и выдается на блок пиковых значений и логической оценки 23. Первый компаратор U2 сравнивает эффективное значение напряжения, поданного на неинвертирующий вход этого компаратора с опорным напряжением источника. Если напряжение сети питания превышает заданную величину, первый компаратор U2 передает высокий уровень на переключающий транзистор Q1, переключающий транзистор Q1 включается, и через обмотку выключающее реле 1 начинает протекать ток. Переключатель выключающего реле 1 переходит в состояние нормально разомкнутого контакта с, и блок питания отключается от сети питания переменного тока. Когда напряжение сети питания переменного тока падает до определенной величины (разница между определенной величиной и вышеупомянутой заданной величиной определяется величиной коэффициента передачи выхода на вход), первый компаратор U2 возвращается в состояние подачи низкого уровня на электрод базы переключающего транзистора Q1, переключающий транзистор Q1 отключается, второй ввод обмотки выключающего реле 1 является, в основном, плавающим контактом и выключающее реле 1 не работает. Переключатель выключающего реле 1 переключается в состояние нормально разомкнутого контакта с, и блок питания снова подключается к сети питания переменный тока.
Практически, предел напряжения постоянного тока на шине питания составляет 450 вольт. Точка отключения реле устанавливается по напряжению переменного тока, тогда как выпрямленное напряжение шины составляет 450 В, которое под нагрузкой равно 320 В. При практическом испытании блок питания включался, когда входное напряжение сети питания переменного тока составляло 415 В (выпрямленное напряжение на шине было около 587 В). Когда напряжение шины - 0,916*500-458 В, выключающее реле 1 по настоящему изобретению срабатывает, блок питания отключен от сети переменного тока и напряжение шины начинает снижаться как показано на фигуре 10. Блок питания обычно снабжается цифровым сигнальным процессором, который может использоваться для защиты программного обеспечения. Однако цифровой сигнальный процессор не может получать питание в начальной стадии запуска блока питания. Тем не менее, в настоящем изобретении защита может быть осуществлена и при включении блока питания, что разрешает проблему защиты в момент пуска системы.
Второй вариант
Как показано на фигуре 5, устройство защиты от перенапряжения в данном варианте воплощения настоящего изобретения отличается от первого варианта тем, что выключающее реле 1 включено в цепь последовательно между цепью фильтра выпрямителя 4 и схемой коррекции коэффициента мощности коэффициента мощности 3 (цепь PFC), при этом принцип работы остается таким же, как и в первом варианте.
Третий вариант
Как показано в фигурах 6 и 7, устройство защиты от перенапряжения по настоящему изобретению содержит выключающее реле 1 и цепь детектирования напряжения 2. Цепь детектирования напряжения 2 имеет секцию детектирования напряжения переменного тока, секцию детектирования напряжения 24 на шине постоянного тока и секцию возбуждения 21, которые соединены последовательно. В этом варианте соединение выключающего реле 1 выполнено так же, как и в первом варианте. Конструкция цепи и принцип работы секции цепи детектирования напряжения переменного тока и секции возбуждения 21 аналогичны примененным в первом варианте, т.е. цепь детектирования напряжения 2 идентична цепи детектирования напряжения первого варианта и содержит блок выборки напряжения 22 и блок пиковых значений и логической оценки 23, которые соединены последовательно; цепь секции возбуждения 21 аналогична секции возбуждения в первом варианте. Отличие заключается в том, что вход блока выборки напряжения 22 и вход секции 24 цепи детектирования напряжения используются как первый узел выборки и второй узел выборки напряжения цепи детектирования напряжения 2, соответственно; выход блока пиковых значений и логической оценки 23 и выход секции 24 цепи детектирования напряжения соединены через седьмой диод D7 и восьмой диод D8, которые подключены в обратном направлении, причем управляющий сигнал передается в секцию возбуждения 21. Второй узел выборки соединен со схемой коррекции коэффициента мощности коэффициента мощности 3 блока питания, т.е. подключен к высокой стороне шины постоянного тока, для того, чтобы осуществлять выборку напряжения постоянного тока с шины постоянного тока.
Секция цепи детектирования напряжения 24, в основном, состоит из второго компаратора U3. Неинвертирующий вход второго компаратора U3, как второй узел выборки напряжения цепи детектирования напряжения 2, соединен с высокой стороной шины постоянного тока и, в то же время, неинвертирующий вход второго компаратора U3 соединен с выходом второго компаратора U3 через последовательную цепь, содержащую одиннадцатый резистор R11 и пятый диод D5; инвертирующий вход второго компаратора U3 соединен со вторым источником опорного сигнала BREF2, и выход компаратора U3, как выход секции 24 цепи детектирования напряжения, соединен с катодом восьмого диода D8. Анод восьмого диода D8 соединен с входом секции возбуждения 21. В этом случае пятый диод D5 может быть подключен по схеме прямого или обратного соединения.
Таким образом, как только произойдет бросок напряжения в сети питания переменного тока и одновременно на шине постоянного тока, выключающее реле 1 отключается от сети питания переменного тока, и выключающее реле 1 не включится обратно до тех пор, пока напряжение сети питания переменного тока и напряжение шины постоянного тока не будут возвращены к нормальному значению. Это улучшает защиту и точность работы системы.
Подобно второму варианту, в настоящем воплощении изобретения, выключающее реле 1 может быть включено в цепь последовательно между цепью фильтра выпрямителя 4 и схемой коррекции коэффициента мощности коэффициента мощности 3 при сохранении общего принципа работы этого устройства.
Четвертый вариант
Как показано на фигуре 8, этот вариант воплощения настоящего изобретения отличается от третьего варианта тем, что добавлено еще одно выключающее реле 1, т.е. выключающее реле 1 включено в цепь последовательно между двумя входами сети питания переменного тока и цепью фильтра выпрямителя 4, соответственно. Узел управления двух отключающих реле 1 соединен с выходом цепи детектирования напряжения 2. Токоограничивающий резистор R включен последовательно перед каждым выключающим реле 1. Принцип работы цепи аналогичен принципу работы третьего варианта.
Подобно второму варианту, в данном воплощении настоящего изобретения выключающее реле 1 может быть включено в цепь последовательно между цепью фильтра выпрямителя 4 и схемой коррекции коэффициента мощности коэффициента мощности 3, и принцип работы этого варианта аналогичен принципу работы второго варианта.
Пятый вариант
Настоящий вариант отличается от вышеупомянутых вариантов тем, что в нем не используется блок пиковых значений и логической оценки, и используется способ усреднения при осуществлении выборки, как показано на фигуре 9. Настоящий вариант применим к блокам питания, в которых не требуется высокая точность защиты.