ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ТОКОВЫХ ЦЕПЕЙ КОМПЛЕКТНО РАСПРЕДЕЛЕННЫХ УСТРОЙСТВ

Полезная модель относится к источникам вторичного питания и электротехнике и предназначено для питания устройств релейной защиты и автоматики от токовых цепей комплектно распределенных устройств, при пропадании напряжения оперативного тока.
Известный стабилизатор напряжения постоянного тока [A.C. G05F 1/56 №1636836 Б.И. №11 1991 г.] содержащий трехфазный трансформатор, регулирующий элемент, выпрямитель, измерительный орган, усилитель, резистор, ключ и блок управления предназначен для питания аппаратуры, но не может использоваться для питания устройств релейной защиты и автоматики от токовых цепей.
Блок питания и заряда БПЗ-401. [Блоки питания и заряда типов БПЗ-401 и БПЗ-402. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ОБК 469.493. Издание 16. 1985 г.], содержащий трансформатор, выпрямитель, конденсатор, диод, реле и два резистора, предназначен для питания выпрямленным током схем устройств релейной защиты, автоматики и управления, и для заряда конденсаторов (например, блока конденсаторов БК-400), энергия которых используется для приведения в действие электромагнитов отключения (включения) коммутационных аппаратов.
Недостатки блока питания и заряда БПЗ-401:
- необходимость использования двух источников питания (блок питания напряжения БПЗ-401 и блок питания тока БПЗ-402) и, как следствие, большие габариты пространства занимаемого источником питания;
- ограниченные функциональные возможности, а именно:
невозможность работы источника на холостом ходу, т.е. при подключении низкоомной нагрузки в ее цепи появляется большой бросок тока выводящий из строя активные элементы (недостаток феррорезонансных источников питания).
Наиболее близким техническим решением является источник питания комбинированный [А.С. RU 7H02 М7/12 №2216844 Б.И. №32 20.11.2003 г.], содержащий три трансформатора, семь выпрямителей, четыре конденсатора, три диода, реле, девять резисторов, узел индикации работы канала, три диода, светодиод, биполярный транзистор, оптрон, два полевых транзистора, два терморезистора, дроссель, узел контроля уровня напряжения, два узла управления и узел заряда и сигнализации.
Прототип предназначен для питания аппаратуры релейной защиты и автоматики выпрямленным оперативным током на подстанциях без аккумуляторных батарей, а также для заряда блока конденсаторов обеспечивающих управление катушкой отключения выключателя.
Недостатки прототипа - большие габариты и вес, а также ограниченные функциональные возможности.
Цель - уменьшение габаритных размеров, веса и расширение функциональных возможностей источника питания.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее два трансформатора, три выпрямителя, четыре конденсатора, два диода, девять резисторов, светодиод, биполярный транзистор, два полевых транзистора, терморезистор и узел контроля уровня напряжения, причем вводы первичной обмотки первого и второго трансформатора являются первой и второй группой входов устройства, соответственно. Первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора соединен с первым входом первого выпрямителя, второй выход которого соединен с первым выводом первого конденсатора и с первым выходом третьего выпрямителя. Второй вывод вторичной обмотки первого трансформатора соединен со вторым входом первого выпрямителя. Первый и второй вывод вторичной обмотки второго трансформатора соединены с первым и вторым входом третьего выпрямителя. Исток и подложка первого полевого транзистора соединены с первыми выводами четвертого и шестого резистора, третьего и четвертого конденсатора, со вторым выводом узла контроля уровня напряжения. Второй вывод четвертого конденсатора соединен с первым выводом седьмого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора и со вторым выводом третьего конденсатора. База первого биполярного транзистора соединена со вторым выводом второго резистора. Второй вывод восьмого резистора соединен с третьим выводом узла контроля уровня напряжения, первый вывод которого соединен со вторыми выводами пятого и шестого резисторов. Первый выход первого выпрямителя соединен со вторым выходом третьего выпрямителя и с анодом первого диода, катод которого соединен с первым выводом пятого резистора. Второй вывод терморезистора соединен со вторым входом второго выпрямителя, первый и второй выход которого является первым и вторым выходом устройства. Исток и подложка второго полевого транзистора соединены со вторым выводом третьего резистора, первый вывод которого соединен с первым выводом первого резистора, со вторым выходом первого выпрямителя и с первым выходом третьего выпрямителя, введены предохранитель, варистор, третий полевой транзистор, четыре биполярных транзистора, четыре стабилитрона, сборка диодная и шесть резисторов, причем первые выводы предохранителя и терморезистора являются третьей группой входов устройства. Второй вывод терморезистора соединен с первым выводом варистора, второй вывод которого соединен со вторым выводом предохранителя и с первым входом второго выпрямителя, второй выход которого соединен с коллектором третьего транзистора, с первым выводом первого и пятнадцатого резисторов, с анодом второго, третьего и четвертого стабилитрона, с коллектором пятого биполярного транзистора, с первым выводом первого конденсатора и с истоком с подложкой первого полевого транзистора, затвор которого соединен с эмиттером третьего биполярного транзистора и с первым выводом девятого резистора, второй вывод которого соединен с первыми выводами десятого, одиннадцатого и четырнадцатого резисторов, с эмиттером второго биполярного транзистора, с катодом третьего стабилитрона и со вторым выводом первого конденсатора. Коллектор второго биполярного транзистора соединен со вторым выводом пятнадцатого резистора и с базой третьего биполярного транзистора. Исток и подложка третьего полярного транзистора соединены с истоком и подложкой первого полярного транзистора, сток которого соединен с анодом первого диода и со стоком третьего полярного транзистора, затвор которого соединен с эмиттером четвертого и пятого биполярного транзистора, база которого соединена со вторым выводом четвертого резистора и с третьим выводом сборки диодной, первый и второй выводы которой соединены с первым выводом двенадцатого резистора, с базой четвертого и с коллектором первого биполярного транзистора, база которого соединена с первым выводом восьмого резистора. Коллектор четвертого и эмиттер первого биполярного транзистора соединен с катодом второго стабилитрона и со вторым выводом третьего конденсатора. Первый вывод узла контроля уровня напряжения соединен со вторым выводом второго конденсатора, первый вывод которого соединен со вторым выводом двенадцатого резистора. Затвор второго полевого транзистора соединен с катодом четвертого стабилитрона и с первым выводом тринадцатого резистора, второй вывод которого соединен со стоком второго полевого транзистора и с катодом светодиода, анод которого соединен с первым выходом второго выпрямителя и со вторым выводом десятого резистора и катодом второго диода, анод которого соединен с катодом первого диода и вторым выводом четвертого конденсатора. База второго биполярного транзистора соединена со вторым выводом четырнадцатого резистора и с катодом первого стабилитрона, анод которого соединен со вторыми выводами первого и одиннадцатого резисторов.
На фиг. 1 приведена схема источника питания.
На фиг. 2 - внешний вид и габариты прототипа и заявляемого устройства.
На фиг. 1 - обозначены:
1-2, 3-4 - первая, вторая и группа входов устройства (входы по току);
5-6 - третья группа входов устройства (вход напряжения);
7-8 - выходы устройства;
Тр.1, Тр.2 - трансформатор ДИВГ;
В1…В3 - выпрямительные мосты (аналогичны приведенным в описании прототипа);
F - вставка плавкая, например ВП1-2 или аналогичная;
Ru - варистор, например 238159353216 фирмы "Vishay ВС components" или аналогичный;
Rt - терморезистор, например B57235S0809M000 фирмы "Epcos" или аналогичный;
T1, T2 - полевые транзисторы, например BUZ91A фирмы "Siemens" или аналогичные;
Т3, Т5 - транзистор, например BCW71 фирмы "РHI" или аналогичный;
Т4 - транзистор, например MPSA92 фирмы "РШ" или аналогичный;
Т6, Т7 - транзистор, например BCW69 фирмы "PHI" или аналогичный;
Т8 - полевой транзистор, например IRFRC20 фирмы "IR" или аналогичный;
Д1, Д2 - диоды, например S2K фирмы "DC COMPONENTS CO LTD" или аналогичные;
DV - узел контроля напряжения, например TL431ILP фирмы "ONS" или аналогичный;
V1 - сборка диодная, например BAV70 фирмы "PHI" или аналогичная;
V2 - диод светоизлучающий, например LS 3369-GH-1 фирмы "Osram" или аналогичный;
S1…S4 - стабилитроны, например BZX84-C15 фирмы "РHI" или аналогичные;
R1…R15 - резисторы, например RC1206 JR фирмы "Yageo" или аналогичные;
С1 - конденсатор, например ECR470M2AB фирмы "Hitаnо"или аналогичный;
С2, С3 - конденсаторы, например GRM31MR71H105K фирмы "Миrаtа"или аналогичные;
С4 - конденсатор, например CC1206KRX7R9BN103 фирмы "Yageo" или аналогичный.
На фиг. 2 обозначены:
9 - прототип;
10 - заявляемое устройство.
Источник питания содержит два трансформатора Тр.1 и Тр.2, три выпрямителя В1…В3, четыре конденсатора С1…С4, два диода Д1, Д2, пятнадцать резисторов R1…R15, светодиод V2, пять биполярных транзисторов Т3…Т7, три полевых транзистора Т1, Т2, Т8, терморезистор Rt, узел контроля уровня напряжения DV, предохранитель F, варистор Ru, четыре стабилитрона S1…S4 и сборку диодную VI.
Вводы первичной обмотки первого Тр.1 и второго Тр.2 трансформатора являются первой 1-2 и второй 3-4 группой входов устройства, соответственно. Первый вывод вторичной обмотки первого трансформатора Тр.1 соединен с первым входом первого выпрямителя В1, второй выход которого соединен с первым выводом первого конденсатора С2 и с первым выходом третьего выпрямителя В2. Второй вывод вторичной обмотки первого трансформатора Тр.1 соединен со вторым входом первого выпрямителя В1. Первый и второй выводы вторичной обмотки второго трансформатора Тр.2 соединены с первым и вторым входами третьего выпрямителя В2. Исток и подложка первого полевого транзистора Т1 соединены с первыми выводами четвертого R8 и шестого R13 резистора, третьего С3 и четвертого С1 конденсатора, со вторым выводом узла контроля уровня напряжения DV. Второй вывод четвертого конденсатора С1 соединен с первым выводом седьмого резистора R7, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора R9 и со вторым выводом третьего конденсатора С3. База первого биполярного транзистора Т1 соединена со вторым выводом второго резистора R9. Второй вывод восьмого резистора R10 соединен с третьим выводом узла контроля уровня напряжения DV, первый вывод которого соединен со вторыми выводами пятого R12 и шестого R13 резисторов. Первый выход первого выпрямителя В1 соединен со вторым выходом третьего выпрямителя В2 и с анодом первого диода Д1, катод которого соединен с первым выводом пятого резистора R12. Второй вывод терморезистора Rt соединен со вторым входом второго выпрямителя В3, первый и второй выходы которого являются первым 7 и вторым 8 выходами устройства. Исток и подложка второго полевого транзистора Т8 соединены со вторым выводом третьего резистора R15, первый вывод которого соединен с первым выводом первого резистора R4, со вторым выходом первого выпрямителя В1 и с первым выходом третьего выпрямителя В2, первые выводы предохранителя F и терморезистора Rt являются третьей 5-6 группой входов устройства. Второй вывод терморезистора Rt соединен с первым выводом варистора Ru, второй вывод которого соединен со вторым выводом предохранителя F и с первым входом второго выпрямителя В3, второй выход которого соединен с коллектором третьего транзистора Т3, с первым выводом первого R4 и пятнадцатого R6 резистора, с анодом второго S2, третьего S3 и четвертого S4 стабилитрона, с коллектором пятого биполярного транзистора Т6, с первым выводом первого конденсатора С2 и с истоком с подложкой первого полевого транзистора Т1, затвор которого соединен с эмиттером третьего биполярного транзистора Т3 и с первым выводом девятого резистора R1, второй вывод которого соединен с первыми выводами десятого R2, одиннадцатого R3 и четырнадцатого R5 резисторов, с эмиттером второго биполярного транзистора Т4, с катодом третьего стабилитрона S3 и со вторым выводом первого конденсатора С2. Коллектор второго биполярного транзистора Т4 соединен со вторым выводом пятнадцатого резистора R6 и с базой третьего биполярного транзистора Т3. Исток и подложка третьего полярного транзистора Т2 соединены с истоком и подложкой первого полярного транзистора Т1, сток которого соединен с анодом первого диода Д1 и со стоком третьего полярного транзистора Т2, затвор которого соединен с эмиттером четвертого Т5 и пятого Т6 биполярного транзистора, база которого соединена со вторым выводом четвертого резистора R8 и с третьим выводом сборки диодной VI, первый и второй выводы которой соединены с первым выводом двенадцатого резистора R11 , с базой четвертого Т5 и с коллектором первого Т1 биполярного транзистора, база которого соединена с первым выводом восьмого резистора R10. Коллектор четвертого Т5 и эмиттер первого Т1 биполярного транзистора соединены с катодом второго стабилитрона S2 и со вторым выводом третьего конденсатора С3. Первый вывод узла контроля уровня напряжения DV соединен со вторым выводом второго конденсатора С4, первый вывод которого соединен со вторым выводом двенадцатого резистора R11. Затвор второго полевого транзистора Т8 соединен с катодом четвертого стабилитрона S4 и с первым выводом тринадцатого резистора R14, второй вывод которого соединен со стоком второго полевого транзистора Т8 и с катодом светодиода V2, анод которого соединен с первым выходом второго выпрямителя В3 и со вторым выводом десятого резистора R2 и катодом второго диода Д2, анод которого соединен с катодом первого диода Д1 и вторым выводом четвертого конденсатора С1. База второго биполярного транзистора Т4 соединена со вторым выводом четырнадцатого резистора R5 и с катодом первого стабилитрона S1, анод которого соединен со вторыми выводами первого R4 и одиннадцатого R3 резисторов.
Источник питания обеспечивает:
- питание устройств релейной защиты от токовых цепей комплектно-распределенных устройств при отсутствии напряжения оперативного тока;
- суммирование энергии от источников тока и напряжения на общий выход;
- включение блокировки канала тока при повышении напряжения на входе 5-6 выше 150 В (для постоянного напряжения), выше 110 В (для переменного напряжения)4;
- выключение блокировки канала тока при снижении напряжения на входе 5-6 ниже 120 В (для постоянного напряжения), ниже 88 В (для переменного напряжения).
Источник питания имеет следующие преимущества перед прототипом:
- блокирование канала тока при питании от входа 5-6 (осуществляется для снижения нагрузки на первичные ТТ);
- имеет защиту от короткого замыкания на выходе, при питании от входа 5-6 защита обеспечивается с помощью плавкого предохранителя, при питании от входов 1-2, 3-4 защита обеспечивается схемой канала тока;
- меньшие габариты и, соответственно, вес.
Источник питания функционально состоит из двух каналов тока, канала напряжения и схемы блокирования канала тока.
Входы каналов тока 1-2, 3-4 и вход канала напряжения 5-6 имеют между собой гальваническую развязку, а их выходы объединены на общий выход 7-8.
К элементам схемы блокирования каналов тока относятся: конденсатор С2, резисторы R1…R6, стабилитроны S1 и S3, транзисторы Т1, Т3 и Т4.
В описании работы источника питания значения величины рабочих напряжений не приводятся для сохранения "know how".
1. Канал тока работает следующим образом:
при поступлении входного тока через первую 1-2 или вторую 3-4 группу входов устройства на первичную обмотку соответствующего трансформатора Тр.1 или Тр.2, с выхода трансформатора Тр.1 или Тр.2, напряжение поступает на выпрямитель В1 или В2. Выпрямленное напряжение с выпрямителя через диод Д1 поступает на электролитический конденсатор С1 и узел контроля уровня напряжения DV. Порог срабатывания этого узла определяется напряжением на делителе из резисторов R12 и R13. При увеличении напряжения на конденсаторе С1 более определенной величины узел контроля уровня напряжения DV срабатывает и открывает транзистор Т7, который, в свою очередь, открывает транзистор Т5 и закрывает транзистор Т6.
Таким образом, на затворе управляющего транзистора Т2 появляется положительное напряжение, переводящее его в открытое состояние, в результате чего происходит закорачивание канала тока и напряжение на С1 прекращает увеличиваться.
Если величина напряжения на конденсаторе С1 менее определенной величины, узел контроля уровня напряжения DV выключается, что вызывает отключение транзисторов Т7, Т5 и включение транзистора Т6, в результате чего на затворе транзистора Т2 окажется напряжение низкого уровня и он запирается, тем самым позволяя заряжаться конденсатору С1 до соответствующего уровня.
Диод Д1 не позволяет разряжаться конденсатору С1 после включения транзистора Т2.
С конденсатора С1 входное напряжение через развязывающий диод Д2 поступает на выход 7-8.
Диод Д2 препятствует попаданию питающего напряжения из канала напряжения в цепи канала тока.
2. Работа канала тока по входам 3-4 аналогична работе канала тока по входам 1-2, где в случае наличия входных токов в обоих каналах происходит их алгебраическое сложение после выпрямителей В1 и В2.
Для улучшения фронтов переключения управляющего напряжения на затворе транзистора Т2 введена дифференцирующая цепь R11 и С4, которая включена в цепь положительной обратной связи.
3. Канал напряжения работает следующим образом:
входное питающее напряжение подается на входы 5-6 и через предохранитель F попадает на выпрямительный мост В3, с выхода которого выпрямленное питающее напряжение поступает на выход 7-8.
Для ограничения броска входного тока во входную цепь последовательно включен терморезистор Rt, а для защиты от импульсной помехи параллельно включен варистор Ru.
4. Схема блокирования канала тока работает следующим образом:
при увеличении входного напряжения более определенного значения напряжение на конденсаторе С2 составляет соответствующую величину, при этом напряжение на резисторе R3 увеличивается до величины в несколько вольт, что вызывает протекание тока через стабилитрон S1 с конкретным напряжением стабилизации. Этот ток протекает через база-эмиттерный переход транзистора Т4 и резистор R4, в результате чего транзистор Т4 открывается. Напряжение с конденсатора С2, через открытый переход транзистора Т4, подается в базу эмиттерного повторителя на транзисторе Т3, который переходит в закрытое состояние, и тогда положительное напряжение соответствующей величины через резистор R1 поступает на затвор силового ключа транзистора Т1, который переходит в открытое состояние и закорачивает каналы тока со стороны вторичных обмоток трансформаторов тока Тр.1 и Тр.2.
При отключении транзистора Т3 прекращается протекание тока через резистор R1, что вызывает снижение общего потребления тока через резистор R2, в результате чего напряжение на конденсаторе С2 резко увеличивается, что обеспечивает отключение схемы блокирования на более низких питающих напряжениях, это обеспечивает отсутствие ложных срабатываний схемы после ее включения.
Для ограничения увеличения напряжения на конденсаторе С2 параллельно ему установлен стабилитрон S3 с соответствующим напряжением стабилизации.
5. Диод светоизлучающий V2 индицирует наличие напряжения на выходе. Для обеспечения одинакового свечения индикатора V2 в широком диапазоне питающих напряжений он включен в цепь стабилизатора тока на транзисторе Т8. Величина тока индикатора определяется опорным напряжением на токозадающем резисторе R15.
Исключение из состава устройства трансформатора, узлов управления, заряда и сигнализации, состоящих из большого количества радиоэлементов, позволяет существенно снизить габариты и, соответственно, вес источника питания.
Таким образом данное устройство имеет расширенные функциональные возможности, меньшие габариты (рис.2) и, соответственно, вес по сравнению с прототипом.