КОМБИНИРОВАННОЕ СЕТЕВОЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО
COMBINED NETWORK PROTECTION

Изобретение относится к областям электротехники и электроники и может быть использовано для защиты радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), потребляющей электроэнергию постоянного тока в условиях сетевых искажений, приводящих без использования специальных защитных мер к сбоям и отказам РЭА.
Известны многочисленные, различающиеся по искажаемым параметрам и длительности действия сетевые искажения (импульсные помехи, перенапряжения, понижение напряжения и др.), приводящие к сбоям и отказам РЭА (В.А. Колосов, книга «Электропитание стационарной радиоэлектронной аппаратуры». - М.: Радио и связь, 1992 г., стр.23,…26).
Известно защитное устройство (Варисторы и разрядники фирмы Simens & Matsushita, БЭК, вып.12, 2000 г., стр.19), содержащее разрядники и варисторы, с помощью которых борются с перенапряжениями и импульсными выбросами.
Недостатком указанного защитного устройства является его относительно грубый подход, связанный с пробойной защитой и не использующий более тонких регулировочных принципов, позволяющих компенсировать вредные сетевые искажения без отключения нагрузки от сети.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Комбинированное сетевое защитное устройство для системы электропитания постоянного тока» (Колосов В.А., Ларин А.Г., Парфенов А.В. Научно-технический журнал «Электропитание», №4, 2012 г.), содержащее модуль ограничителей напряжения (МОН), содержащий, в свою очередь, первый и второй разрядники, первый и второй резисторы, первый диод, группы из К резисторов, К термопредохранителей, К варисторов и узел индикации в составе групп из К светодиодов и К резисторов и сборки сигналов по логике ИЛИ-НЕ, КСЗУ также содержит входной, промежуточный и выходной силовые ключи (СК), дроссель, второй диод, модуль контроля и управления (МКУ), входную плавкую вставку, плюсовой и минусовой входы и плюсовой и минусовой выходы КСЗУ, в свою очередь, входной СК содержит свои тиристор и резистор, МКУ содержит микроконтроллер, согласователь и группу из пяти внешних световых индикаторов «норма», «перегрузка», «перегрев», «отключение МОН» и «отключение КСЗУ», а на корпусе выходного СК расположен датчик температуры его корпуса, при этом плюсовой вход КСЗУ через плавкую вставку соединен с первыми выводами первого разрядника, каждого из К резисторов группы, каждого из К варисторов, дросселя, анода тиристора входного СК, катодами первого и второго диодов, второй вывод дросселя соединен с анодом второго диода, плюсовыми входами промежуточного и и выходного СК и со входом «контроль напряжения на входе выходного СК» согласователя МКУ», выход выходного СК соединен со входом согласователя МКУ «контроль напряжения на нагрузке» и с плюсовым выходом КСЗУ, минусовой вход которого соединен с первыми выводами второго разрядника, первого и второго резисторов, каждого из К термопредохранителей, резистора входного СК с минусовым выходом промежуточного СК, с входами «корпус» согласователя МКУ и КСЗУ и с минусовым выходом КСЗУ, выход датчика температуры корпуса выходного СК соединен с одноименным входом согласователя МКУ, выход МКУ «выжигание плавкой вставки» соединен с управляющим входом тиристора промежуточного СК, выход МКУ «вкл/выкл» соединен с управляющим входом выходного СК, двунаправленные выводы согласователя соединены с двунаправленными выводами микроконтроллера, соответствующие выходы которого соединены поразрядно со входами внешних световых индикаторов, выходы которых соединены с корпусом, вторые входы первого и второго разрядников и первого резистора соединены между собой и с входом согласователя «контроль тока через разрядники», анод первого диода соединен со вторым выводом второго резистора и со входом согласователя «контроль тока через первый диод», катод тиристора входного СК соединен со вторым выводом резистора входного СК, вторые выводы каждого из К варисторов поразрядно соединены со вторыми выводами соответствующих термопредохранителей и катодами каждого из К светодиодов, аноды которых соединены с соответствующими входами сборки сигналов по логике ИЛИ-НЕ, выход которой соединен со входом «отказ МОН» согласователя.
Недостатком известного устройства является необходимость использования при токе через СК (в заявленном изобретении - промежуточный СК) в несколько сотен ампер значительного числа дорогостоящих параллельно включаемых транзисторов и полупроводниковых ограничителей напряженияи сложной схемы формирования управляющего сигнала указанными транзисторами.
Техническим результатом и целью заявляемого изобретения является упрощение и удешевление устройства КСЗУ в части промежуточного СК путем использования в нем вместо большой группы дорогих транзисторов недорогого серийно выпускаемого тиристора и путем использования простой схемы управления этим тиристором.
Указанные технический результат и цель достигаются тем, что комбинированное сетевое защитное устройство (КСЗУ), содержащее модуль ограничителей напряжения (МОН), содержащий, в свою очередь, первый и второй разрядники, первый и второй резисторы, первый диод, группы из К резисторов, К термопредохранителей, К варисторов и узел индикации в составе групп из К светодиодов и К резисторов и сборки сигналов по логике И, КСЗУ также содержит входной, промежуточный и выходной силовые ключи (СК), дроссель, второй диод, модуль контроля и управления (МКУ), входную плавкую вставку, плюсовой и минусовой входы и плюсовой и минусовой выходы КСЗУ, в свою очередь, входной СК содержит свои теристор и резистор, МКУ содержит микроконтроллер, согласователь и группу из пяти внешних световых индикаторов «норма», «перегрузка», «перегрев», «отключение МОН» и «отключение КСЗУ», а на корпусе выходного СК расположен датчик температуры его корпуса, при этом плюсовой вход КСЗУ через плавкую вставку соединен с первыми выводами первого разрядника первого разрядника, каждого из К резисторов группы, каждого из К варисторов, дросселя, анода тиристора входного СК, катодами первого и второго диодов, второй вывод дросселя соединен с анодом второго диода, плюсовыми входами промежуточного и и выходного СК и со входом «контроль напряжения на входе выходного СК» согласователя МКУ, выход выходного СК соединен со входом согласователя МКУ «контроль напряжения на нагрузке» и с плюсовым выходом КСЗУ, минусовой вход которого соединен с первыми выводами второго разрядника, первого и второго резисторов, каждого из К термопредохранителей, резистора входного СК с минусовым выходом промежуточного СК, с входами «корпус» согласователя МКУ и КСЗУ и с минусовым выходом КСЗУ, выход датчика температуры корпуса выходного СК соединен с одноименным входом согласователя МКУ, выход МКУ «выжигание плавкой вставки» соединен с управляющим входом тиристора промежуточного СК, выход МКУ «вкл/выкл» соединен с управляющим входом выходного СК, двунаправленные выводы согласователя соединены с двунаправленными выводами микроконтроллера, соответствующие выходы которого соединены поразрядно со входами внешних световых индикаторов, выходы которых соединены с корпусом, вторые входы первого и второго разрядников и первого резистора соединены между собой и с входом согласователя «контроль тока через разрядники», анод первого диода соединен со вторым выводом второго резистора и со входом согласователя «контроль тока через первый диод», катод тиристора входного СК соединен со вторым выводом резистора входного СК, вторые выводы каждого из К варисторов поразрядно соединены со вторыми выводами соответствующих термопредохранителей и катодами каждого из К светодиодов, аноды которых соединены с соответствующими входами сборки сигналов по логике ИЛИ-НЕ, выход которой соединен со входом «отказ МОН» согласователя, промежуточный СК содержит второй тиристор, третий,… девятый резисторы, первый и второй конденсаторы, первый и второй стабилитроны и транзистор, при этом плюсовой вход промежуточного СК соединен с первыми выводами третьего и четвертого резисторов, второй вывод третьего резистора соединен с первыми выводами первого конденсатора и пятого резистора, вторые выводы которых соединены с катодом первого стабилитрона, анод которого соединен с первыми выводами седьмого и восьмого резисторов, катодом второго стабилитра и входом согласователя «ток через тиристор», второй вывод седьмого резистора соединен с анодом второго стабилитрона, эмиттером транзистора, первым выводом девятого резистора и минусовым выходом промежуточного СК, второй вывод четвертого резистора соединен с первыми выводами второго конденсатора и шестого резистора, вторые выводы которых соединены с коллектором транзистора и анодом второго тиристора, катод которого соединен с минусовым выходом промежуточного СК, база транзистора соединена со вторым выводом девятого резистора и выходом согласователя «выключение тиристора».
На фиг.1 представлена электрическая структурная схема КСЗУ для сети электропитания постоянного тока с напряжением в диапазоне 175...320 В, используемой, например, на современных морских судах и т.п., где характерно присутствие значительных коммутационных импульсных перенапряжений, опасных для потребляемого электроэнергию электрооборудования. При этом наиболее важные части КСЗУ раскрыты до уровня электрической принципиальной схемы.
КСЗУ содержит входную плавкую вставку 1, модуль 2 ограничителей напряжения (МОН), содержащий, в свою очередь, первый 2.1 и второй 2.2 разрядники, первый 2.3 и второй 2.4 резисторы, первый диод 2.5, группу 2.6 резисторов 2.6.1,…2.6.К, группу 2.7 термопредохранителей 2.7.1…2.7.К, группу 2.8 варисторов 2.8.1…2.8.К и узел 2.9 индикации в составе группы 2.9.1 светодиодов 2.9.1.1…2.9.1.К и сборки 2.9.2 сигналов по логике И, выходной СК 3 с датчиком 3.1 температуры его корпуса, промежуточный СК 4, содержащий, в свою очередь, третий 4.1…девятый 4.7 резисторы, первый 4.8 и второй 4.9 конденсаторы, первый 4.10 и второй 4.11 стабилитроны, транзистор 4.12 и тиристор 4.13 промежуточного СК, входной СК 5 со своими тиристором 5.1 и резистором 5.2, модуль 8 контроля и управления, содержащий, в свою очередь, микроконтроллер 8.1, согласователь 8.2 и группу 8.3 внешних световых индикаторов «норма» 8.3.1, «перегрузка» 8.3.2, «перегрев» 8.3.3, отключение МОН» 8.3.4 и отключение КСЗУ 8.3.5, а также минусовой 9 и плюсовой 10 сетевые входы, представляющие собой входы КСЗУ, минусовой 11 и плюсовой 12 выходы КСЗУ, представляющие собой входы защищаемой нагрузки (не показана, чтобы не перегружать чертеж) и входы 13 вспомогательного питания слаботочной микроэлектроники управления КСЗУ (может быть автономным от миниатюрного аккумулятора (элемента питания) или от той же сети; в данной заявке этот вопрос не развивается, т.к. выходит за рамки рассматриваемого технического решения).
Используемые в КСЗУ комплектующие элементы являются широко применяемыми в РФ. При этом авторами были использованы в качестве: микроконтроллера 8.1 - микросхема 1887 ВЕ1У; тиристоров 5.1 и 4.13 -2Т242-80-12; СК 3 - МККТ1-5-В; варисторов 2.8 - СН2-2А-470; разрядников 2.1 и 2.2 - Р-159; транзистора 4.12 - 2МК442Б; диодов 2.5, 5.1 и 7 - 2Д232-80-12; термопредохранителей 2.7-ТПЭЗ.095.03.
Плюсовой вход 10 КСЗУ через плавкую вставку 1 соединен с первыми выводами первого разрядника 2.1, каждого из К резисторов группы 2.6, каждого из К варисторов группы 2.8, дросселя 6, анода тиристора 5.1входного СК 5, катодами первого 2.5 и второго 7 диодов, второй вывод дросселя 6 соединен с анодом второго диода 7, плюсовыми входами промежуточного 4 и выходного 3 СК и со входом «контроль напряжения на входе выходного СК» согласователя 8.2 МКУ 8, выход выходного СК 3 соединен со входом согласователя 8.2 МКУ 8 «контроль напряжения на нагрузке» и с плюсовым выходом КСЗУ 12, минусовой вход 9 которого соединен с первыми выводами второго разрядника 2.2, первого 2.3 и второго 2; 4 резисторов, каждого из К группы 2.7 термопредохранителей, резистора 5.2 входного СК 5, с минусовым выходом промежуточного СК 4, с входами «корпус» согласователя 8.2 МКУ 8 и КСЗУ и с минусовым выходом 11 КСЗУ, выход датчика 3.1 температуры корпуса выходного СК 3 соединен с одноименным входом согласователя 8.2 МКУ 8, выход МКУ 8 «выжигание плавкой вставки» соединен с управляющим входом тиристора 5.1 входного СК 5, выход МКУ 8 «вкл/выкл» соединен с управляющим входом выходного СК 3, двунаправленные выводы согласователя 8.2 соединены с двунаправленными выводами микроконтроллера 8.1, соответствующие выходы которого соединены поразрядно со входами группы 8.3 внешних световых индикаторов, выходы которых соединены с корпусом, вторые входы первого 2.1 и второго 2.2 разрядников и первого резистора 2.3 соединены между собой и с входом согласователя8.2 «контроль тока через разрядники», анод первого диода 2.5 соединен со вторым выводом второго резистора 2.4 и со входом согласователя 8.2 «контроль тока через первый диод», катод тиристора 5.1 входного СК соединен со вторым выводом резистора 5.2 входного СК 5, вторые выводы каждого из К группы 2.8 варисторов поразрядно соединены со вторыми выводами соответствующих термопредохранителей из группы 2.7 и катодами каждого из К светодиодов из группы 2.9.1, аноды которых соединены с соответствующими входами сборки 2.9.2 сигналов по логике ИЛИ-НЕ, выход которой соединен со входом «отказ МОН» согласователя 8.2, плюсовой вход промежуточного СК 4 соединен с первыми выводами третьего 4.1 и четвертого 4.2 резисторов, второй вывод третьего резистора 4.1 соединен с первыми выводами первого конденсатора 4.8 и пятого резистора 4.3, вторые выводы которых соединены с катодом первого стабилитрона 4.10, анод которого соединен с первыми выводами седьмого 4.5 и восьмого 4.6 резисторов, катодом второго 4.11 стабилитрона и входом согласователя 8.2 «ток через тиристор», второй вывод седьмого резистора 4.5 соединен с анодом второго стабилитрона 4.11, эмиттером транзистора 4.12, первым выводом девятого резистора 4.7 и минусовым выходом промежуточного СК 4, второй вывод четвертого резистора 4.2 соединен с первыми выводами второго конденсатора 4.9 и шестого резистора 4.4, вторые выводы которых соединены с коллектором транзистора 4.12 и анодом второго тиристора 4.13, катод которого соединен с минусовым выходом промежуточного СК 4, база транзистора 4.12 соединена со вторым выводом девятого резистора 4.7 и выходом согласователя 8.2 «выключение тиристора 4.13».
КСЗУ работает следующим образом.
Пусть, например, КСЗУ предназначено для защиты от сбоев и повреждения потребителей электроэнергии, подключенным к выходам 11 и 12 КСЗУ, входы 9 и 10 которого подключены к сети постоянного тока с номиналом 270 В+/-10% и пусть нагрузка на указанных выходах с учетом использованной в ней изоляции и других технических особенностей не допускает на выходах 11 и 12 превышения напряжения 500 В, импульсных перенапряжений в течение 100 мс в диапазоне от 350 до 500 В и в течение 3 с в диапазоне от 320 до 350 В, тока нагрузки более 5 А, а также превышения температуры 100 градусов корпуса СК 3. При этом на входах 9 и 10 сетевые перенапряжения могут достигать 1000 и более вольт.
Указанную задачу КСЗУ решает путем поэтапного максимально возможного гашения избыточной энергии с помощью специальных шунтирующих и рассеивающих энергию средств, выстроенных в КСЗУ в последовательную цепочку от входов 9 и 10 к выходам 11 и 12 (Фиг.1) без отключения нагрузки от сети, а при достижении предельно больших величин рассеиваемой энергии - путем отключения КСЗУ от сети. На первом этапе в МОН 2 с помощью разрядников 2.1 и 2.2 путем их функционального пробоя гасится возникшее в сети перенапряжение порядка 1,5 кВ, исключая тем самым пробой изоляции в последующих цепях.
На следующем этапе остаточные перенапряжения (импульсные и длительные) сглаживаются на группе 2.8 из К варисторов 2.8.1…2.8.К (например, при К=12; чем больше К, тем качественнее работа КСЗУ), через каждый из которых создаются импульсы тока в пределах нескольких ампер в течение времени от десятков наносекунд до десятков миллисекунд. Выход из строя части варисторов из группы 2.8 не является аварийным режимом, т.к. по погасшим светодиодам 2.9.1.1…2.9.1.К узла 2.9 индикации оператор видит какие из варисторов перегорели и может заменить их без прекращения работы КСЗУ вместе с соответствующими термопредохранителями из группы 2.7 (конструктивно выполнены как раздельные сменные типовые элементы замены).
Затем работают силовые ключи (СК) 5, 4 и 3. Причем, если на выходе КСЗУ сохраняется напряжение не более 500 В (анализ осуществляет МКУ 8 с помощью микроконтроллера 8.1, получающего цифровую информацию с выходов согласователя 8.2, снимающего аналоговую информацию из характерных точек КСЗУ), то СК 5, 4 и 3 не срабатывают и электрооборудование нагрузки продолжает работать. СК 3 отключает выходное напряжение по команде от МКУ 8, поступающей на соответствующий вход управления СК 3 через согласователь 8.2 в следующих ситуациях: напряжение на выходах 11 и 12 превысило 500 В или находится в течение 100 мс в диапазоне от 350 до 500 В или находится в течение 3 с в диапазоне от 320 до 350 В или выходной ток превысил 5 А или температура корпуса СК 3 достигла 100 градусов С. При достижении напряжения на входе СК 3 уровня 450 В по сигналу от МКУ 8 открывается тиристор 4.13, управляемый транзистором 4.12 и резисторами 4.1…4.7, конденсаторами 4.8 и 4.9 и стабилитронами 4.10 и 4.11, создающий соответствующий уровень шунтирующего тока, снижающего напряжение на входе СК 3. При этом в зависимости от развития ситуации перенапряжения сети шунтирующий ток тиристора обеспечивает на входе СК 3 напряжение менее 500 В или превышает его. В первом случае в соответствии с микропрограммой микроконтроллера 8.1 при напряжении 350-500 В на входе СК 3 в течение 100 мс МКУ 8 выдает сигнал на управляющий вход СК 3 о закрытии этого ключа и тиристора 4.13 СК 4, а во втором случае при напряжении более 500 В - выдает сигнал закрытия сразу без какой-либо задержки. Если же перенапряжение в сети развивается таким образом, что на входе СК 3 напряжение превышает 600 В, то одновременно с закрытием СК 3 и тиристора 4.13 с помощью соответствующего управляющего сигнала от МКУ 8 открывают тиристор 5.1 СК 5, задачей которого является разрыв входной плавкой вставки 1 и отключение входа 10 (9) КСЗУ вместе с нагрузкой от сети.
С помощью световых индикаторов группы 8.3 оператор получает интегральную характеристику о состоянии работы КСЗУ.