УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОПРИБОРОВ ОТ ПОВЫШЕННОГО И ПОНИЖЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И ПОПАДАНИЯ ФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА НУЛЕВОЙ ПРОВОД
PROTECTION DEVICE OF ELECTRIC APPLIANCES AGAINST INCREASED AND DECREASED VOLTAGE IN AC MAINS AND IMPACT OF PHASE VOLTAGE ON ZERO CONDUCTOR

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для защиты питающих электросетей от отклонений напряжения, и может быть использовано для защиты электроприборов (теле- и аудиоаппаратуры, персональных компьютеров и других бытовых приборов и средств офисной техники) от длительных или временных перенапряжений в системах переменного тока и последующего автоматического включения указанных приборов после восстановления напряжения до допустимого значения.
Отклонения фазного напряжения в распределительных электрических сетях наиболее часто возникают вследствие обрыва нулевого провода. При этом из-за несимметричной нагрузки фазные напряжения в двух фазах могут достигать 380 В, а в третьей фазе быть ниже 180 В. Недопустимые отклонения напряжения возникают также при попадании напряжения городского электротранспорта в распределительную электрическую сеть. Указанные отклонения напряжения приводят к повреждению бытовой или офисной техники, которая не рассчитана на длительную работу при напряжении, выходящем за диапазон 180…250 В, а также к возгораниям и пожарам. В результате наносится ущерб здоровью и имуществу людей. Наиболее вероятно повреждение электроприборов, работающих в круглосуточном или ждущем режимах. При неблагоприятных погодных условиях (сильный ветер, снегопад, гроза и пр.) часто происходят обрыв или перехлестывание проводов воздушной линии электропередачи. При этом на нулевой провод некоторое время может подаваться линейное напряжение с другой фазы, что приводит к возрастанию напряжения в электросети с 220 В до 380 В.
7
Известно устройство защиты однофазных электроприемников от повышения напряжения (патент РФ №39230, МПК H02H 3/20, опубл. 20.07.2004), содержащее входные выводы для подключения к питающей сети, выходные выводы для подключения к потребителю, электромагнитный элемент с одним устойчивым состоянием, последовательно с обмоткой управления которого включен токоограничивающий элемент, причем первый входной вывод для подключения к сети питания соединен через первый размыкающий силовой контакт электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием с первым выходным выводом для подключения к выводам нагрузки, а второй входной вывод для подключения к сети питания соединен через второй размыкающий силовой контакт электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием со вторым выходным выводом для подключения к выводам нагрузки, дополнительно введены выпрямитель, делитель напряжения, два пороговых элемента, логический элемент ИЛИ, элемент выдержки времени на срабатывание и на возврат, два замыкающих ключа, одновибратор, три последовательно соединенных резистивных элемента и параметрический стабилизатор напряжения, причем в качестве токоограничивающего элемента использован компенсационный стабилизатор напряжения, входные выводы которого подключены к выходу выпрямителя последовательно с обмоткой управления электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием и входными выводами параметрического стабилизатора напряжения, а вход выпрямителя подключен между первым и вторым входными выводами для подключения к сети питания, входы пороговых элементов подключены через делитель напряжения к выходу выпрямителя, выход первого порогового элемента подключен непосредственно, а второго - через элемент выдержки времени на срабатывание и на возврат ко входам логического элемента ИЛИ, выход которого подключен к управляющему входу первого замыкающего ключа, кроме того, к выходным выводам компенсационного стабилизатора напряжения подключены три последовательно соединенных резистивных элемента, один из которых шунтирован силовыми выводами первого замыкающего ключа, а два - силовыми выводами второго замыкающего ключа, причем управляющий вход второго замыкающего ключа подключен к выходу одновибратора, вход которого подключен к выходу логического элемента ИЛИ.
7
Известно устройство для защиты электроприборов в однофазной электросети при попадании фазового напряжения на нулевой провод (патент РФ на полезную модель №18806, МПК H02H 3/14, опубл. 10.07.2001), включающее релейный элемент с замыкающими контактами, один конец обмотки которого соединен с нулевым проводом, а другой конец обмотки релейного элемента с замыкающими контактами снабжен дополнительно введенным проводом заземления, при этом нормально-замкнутые контакты релейного элемента подсоединены к фазному проведу сети. Кроме того, устройство снабжено системой сигнализации, включающей последовательно подключенные в сеть между проводом заземления и нулевым проводом светодиод, диод, резистор, ограничитель.
6
Известно устройство для защиты потребителя от повышенного и пониженного напряжения в сети переменного тока (патент РФ №2136097, МПК H02H 3/20, H02H 3/24, опубл. 27.08.1999), принятое за протоип, содержащее выпрямительный мост, исполнительный элемент, пороговый узел, два стабилизатора напряжения, делитель напряжения сети, узел контроля напряжения сети, формирователь импульсов, счетчик импульсов, узел индикации и узел управления. Устройство обеспечивает мгновенное отключение потребителя от сети при изменении напряжения ниже 170 В и выше 250 В и включение потребителя с задержкой 5 мин при восстановлении напряжения сети выше 170 В и ниже 250 В. Однако известное устройство недостаточно эффективно защищает потребителя электрической энергии, не позволяет контролировать наличие и исправность заземляющего провода, а также имеет достаточно сложную электрическую схему, что влияет на ее надежность.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности и надежности защиты потребителей электрической энергии от превышения и понижения напряжения в электросети в пределах 180-250 В, от попадания фазного напряжения на нулевой провод при его обрыве, при перекосе фаз, вызванного использованием неисправных электроприборов, например электросварочного аппарата с короткозамкнутыми витками первичной обмотки, и в упрощении электрической схемы устройства. Предлагаемое устройство защищает от грозы, так как схема имеет непосредственное заземление.
В устройстве защиты электроприборов от повышенного и пониженного напряжения в сети переменного тока и попадания фазного напряжения на нулевой провод, включающем узел контроля напряжения сети, исполнительный узел, узел индикации, выпрямительный мост, новым является то, что устройство снабжено понижающим трансформатором, первичная обмотка которого подключена одним концом к фазному проводу, а ее другой конец заземлен, вторичная обмотка подсоединена к выпрямительному мосту, питающему исполнительный узел, узел контроля напряжения сети включает соленоид, внутри обмотки которого имеется подпружиненный сердечник, с одной стороны сердечник имеет регулировочный винт, с другой стороны удлиненный конец сердечника имеет прорезь, при этом один конец обмотки соленоида подсоединен через диод к фазному проводу, а второй конец через диод, включенный в обратном направлении, подсоединен к нулевому проводу, исполнительный узел включает светодиод и фотодиод, усилитель сигнала, коммутирующее устройство, при этом светодиод и фотодиод образуют через прорезь сердечника соленоида оптопару, светодиод подсоединен к выпрямительному мосту через ограничительное сопротивление, а фотодиод подключен к усилителю сигнала, который нагружен на коммутирующее устройство, управляющее контактами включения и отключения электроприборов.
Узел индикации включает двухцветный светодиод, подключенный через ограничительное сопротивление к нулевому проводу, и через диоды - к контактам коммутирующего устройства.
На фиг.1 представлена электрическая принципиальная схема устройства.
t
н
t
Устройство защиты электроприборов от повышенного и пониженного напряжения в сети переменного тока и попадания фазного напряжения на нулевой провод содержит входные выводы L, N, N для подключения к питающей сети, выходные выводы R для подключения к потребителю. Устройство имеет понижающий трансформатор 1, например ТПС-5, первичная обмотка которого подключена одним концом к фазному проводу L, а ее другой конец подключен к проводу N - заземлен, в результате на его первичной обмотке стабильно сохраняется напряжение 220 В и, следовательно, схема не нуждается в стабилизации напряжения. Вторичная обмотка трансформатора 1 подсоединена к выпрямительному мосту 2 (КЦ 407А), питающему исполнительный узел, на ней формируется напряжение до 24 В.
1
Узел контроля напряжения сети включает соленоид SL 3, рассчитанный на напряжение питания 500 В, внутри обмотки которого имеется сердечник 4 с пружиной 5. С одной стороны сердечник 4 имеет регулировочный винт 6, с другой стороны удлиненный конец сердечника 4 имеет прорезь 7. Один конец обмотки соленоида 3 подсоединен через диод 8 (КД-202Р) к фазному проводу, а второй конец через диод 9 (КД-202Р), включенный в обратном направлении, подсоединен к нулевому проводу N. Диоды 8 и 9 образуют однополупериодную схему выпрямления напряжения, между ними расположен электролитический конденсатор 10, выполняющий роль фильтра для уменьшения пульсаций напряжения, рассчитанный на напряжение 450 В с емкостью 200 МФ. При увеличении напряжения в сети, включая 380 В (попадание фазного напряжения на нулевой провод), сердечник 4 втягивается в соленоид 3, прорезь 7 смещается вместе с сердечником 3, оптическая связь прерывается и через коммутирующее устройство К1 питание сети отключается, при этом конденсатор 10 заряжается до максимального напряжения в сети. Схема будет находиться в этом положении, пока напряжение не достигнет номинального. При достижении номинального напряжения сердечник 3, а вместе с ним и прорезь 7 не вернется в исходное положение, соответствующее номинальному напряжению, до тех пор, пока конденсатор 10 не разрядится через соленоид 3 до напряжения 220 В. В процессе разрядки конденсатора 10 обеспечивается задержка возвращения сердечника 4 соленоида 3 и, соответственно, прорези 7 на время от одной до двух минут. Время задержки возвращения исключает срабатывание коммутирующего устройства при периодическом замыкании фазного провода с нулевым, например, при ветре и перехлестывании проводов.
1
Исполнительный узел включает светодиод 11 (АЛС-307) и фотодиод 12 (ФД-5), образующие через прорезь 7 сердечника 4 соленоида SL 3 оптопару. Светодиод 11 подсоединен к выпрямительному мосту 2 через ограничительное сопротивление 13, а фотодиод 12 подключен к усилителю сигнала, состоящего из двух транзисторов 14 (КТ-315Г и КТ-815Г) и нагруженного на коммутирующее устройство К1, управляющее контактами К1.1 включения и отключения электроприборов. При оптической связи между светодиодом 11 и фотодиодом 12 транзисторы 14 закрыты и коммутирующее устройство К1 обесточено, при этом через нормально замкнутые контакты К1.1 на нагрузку поступает электрический ток сети. При нарушении оптической связи между светодиодом 11 и фотодиодом 12, при повышении или понижении напряжения в сети, сопротивление на фотодиоде 12 увеличивается, транзисторы 14 открываются, коммутирующее устройство К1 срабатывает и отключает через контакты К1.1 нагрузку от электрической сети.
Между узлом контроля напряжения сети и исполнительным узлом отсутствует электрическая связь, что повышает надежность работы устройства.
Узел индикации включает двухцветный светодиод 15, подключенный через ограничительное сопротивление 16 (ОМЛТ-II, 470 К) к нулевому проводу N и через диоды 17 (КД-221) - к контактам К1.1 коммутирующего устройства К1. При нормальном напряжении включается зеленый светодиод, а при аномальном напряжении - красный.
1
Работает устройство следующим образом. При подаче на соленоид SL 3 нормального напряжения, предварительно выпрямленного диодами 8 и 9, сердечник 4, поджимаемый пружиной 5, занимает положение, соответствующее рабочему напряжению в сети, питающей электрооборудование. Через прорезь 7 происходит оптическая связь между светодиодом 11 и фотодиодом 12. При колебаниях напряжения сердечник 4 меняет свое положение. Если напряжение в сети возрастает или падает от номинального (180-250 В), сердечник 4 втягивается в соленоид 3 при увеличении напряжения или выталкивается из него пружиной 5 при уменьшении напряжения, при этом прорезь 7 уходит с прежнего положения, оптическая связь между светодиодом 11 и фотодиодом 12 нарушается, что свидетельствует об аварийной ситуации в сети, при этом контакты К1.1 отключают нагрузку.
Прорезь 7 заданной длины регулирует пределы напряжения питающего электрооборудования (180-250 В), так как она непосредственно связана с сердечником 4. Оптопара - светодиод 11 и фотодиод 12 - имеет оптическую связь, когда питающее напряжение сети находится в заданном пределе и электроприборы подключены. Когда напряжение питания больше 250 В или меньше 180 В оптическая связь нарушается и соответственно исполнительная часть схемы отключает нагрузку. Остальные элементы схемы усилителя (резисторы) обеспечивают нормальный режим работы элементов усилителя.
После прекращения действия повышенного напряжения в сети и возврата его к номинальному конденсатор 10, заряженный до 380 В, удерживает сердечник 4 во втянутом положении до тех пор, пока он не разрядится по цепи конденсатор 10 - шунтирующий резистор Rш - обмотка соленоида 3 - конденсатор 10 до напряжения 220 В, после чего оптическая связь через прорезь 7 возобновится и коммутирующее устройство К1 включит нагрузку.
При падении напряжения ниже 180 В пружина 5, уравновешивающая момент силы втягивания сердечника 4, начнет выдавливать его из соленоида 3 за счет перемещения прорези 7, оптическая связь прервется и произойдет отключение нагрузки. При возвращении напряжения в номинальное (220 В) сердечник 4 втягивается в соленоид 3 и прорезь 7 восстанавливает оптическую связь и через коммутирующее устройство К1 происходит подключение нагрузки.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность и эффективность защиты электроприборов при колебании напряжения как в большую, так и в меньшую стороны, за счет того что отключение потребителя от сети при изменении напряжения ниже 180 В и выше 250 В и включение потребителя с задержкой 1-2 мин при восстановлении напряжения сети выше 180 В и ниже 250 В осуществляется исполнительным узлом, на основе оптической связи, образованной оптопарой светодиод и фотодиод и прорезью в сердечнике соленоида, которая определяет заданные пределы напряжения. Отсутствие электрической связи между узлом контроля напряжения сети и исполнительным узлом повышает надежность работы устройства. Кроме того, наличие заземленного конца первичной обмотки трансформатора создает стабильное напряжение на его вторичной обмотке, что позволяет существенно упростить электропитание элементов схемы устройства, повысить его надежность, а также является громоотводом.