УСТРОЙСТВО КОММУТАЦИИ И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при построении систем бесперебойного электроснабжения, а также иных, например, автономных систем электроснабжения постоянного тока для коммутации и защиты потребителей электроэнергии.
Известно устройство защиты электрической нагрузки от провалов напряжения питания [1], содержащее силовой ключ, подключающий нагрузку к источнику питания, дополнительный ключ и накопительный конденсатор, заряжаемый через зарядную цепь. Коммутация ключей осуществляется соответствующей схемой управления. Если параметры входного напряжения находится в допустимых пределах, силовой ключ открыт, а дополнительный ключ закрыт, и нагрузка нормально получает энергию от источника питания. Накопительный конденсатор заряжается через зарядную цепь.
Если по тем или иным причинам имеет место краткосрочный перебой в работе источника питания, или его выходное напряжение провалится ниже определенного допустимого уровня, схема управления размыкает силовой ключ и замыкает дополнительный. Нагрузка отключается от источника питания и через дополнительный ключ подключается к накопительному конденсатору, обеспечивающего ее функционирование до восстановления нормальной работы источника питания. При восстановлении входного напряжения силовой и дополнительный ключи переключаются в исходное положение, нагрузка снова подсоединятся к источнику питания, а накопительный конденсатор начинает подзаряжаться. Если продолжительность провала входного напряжения меньше времени разряда конденсатора ниже некоего критичного для нормального функционирования нагрузки уровня, схема работает как источник бесперебойного электроснабжения. Таким образом, устройство защищает нагрузку от кратковременных перебоев в работе источника питания и провалов его выходного напряжения.
Недостатком известного устройства являются его ограниченные функциональные возможности, что выражается в неспособности защиты нагрузки от перенапряжений в цепях питания и коммутации нагрузки по внешнему сигналу.
Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к описываемой полезной модели.
Техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, является расширение функциональных возможностей устройства с одновременным повышением качества электропитания потребителей за счет введения в него функций ограничения выходного напряжения при входных перенапряжениях и коммутации потребителей электроэнергии.
Технический результат достигается за счет того, что устройство коммутации и защиты электрической нагрузки, содержит подключенный к входным выводам измерительный орган напряжения, подключенную к входным или выходным выводам цепь, состоящую из последовательно соединенных зарядной цепи и конденсатора, двухпороговый компаратор, входом подключенный к выходу измерительного органа напряжения, узел управления, входом подключенный к выходу компаратора, два логических элемента И, первые входы которых подключены к соответствующим выходам узла управления, а вторые входы - к управляющему выводу, и два силовых ключа, управляющие входы которых связаны с выходами соответствующих логических элементов И, при этом силовой переход одного из ключей и конденсатор образуют последовательную цепь, подключенную к выходным выводам, а силовой переход второго силового ключа включен в одну из линий, объединяющих одноименные входные и выходные выводы.
На чертеже фиг.1 приведена схема полезной модели.
Устройство содержит входные 1, 2 и выходные 3, 4 выводы, к входным выводам подключены последовательная цепь из зарядной цепи 5 и конденсатора 6 и измерительный орган напряжения 7, выходом подключенный к входу двухпорогового компаратора 8, состоящего из пороговых элементов максимального 9 и минимального 10 уровней и логического элемента ИЛИ 11. Выход компаратора соединен с входом узла управления 12, выходы которого через логические элементы И 13 и 14 связаны с управляющими переходами силовых ключей 15 и 16. Одни из входов каждого из логических элементов И 13 и 14 подключен к управляющему выводу 17.
Устройство работает следующим образом.
К входным выводам 1 и 2 устройства подается напряжение от внешнего источника питания, выходные выводы 3 и 4 подключаются к нагрузке (потребителю электроэнергии).
Пусть на управляющем выводе 17, а, следовательно, и на первых входах логических элементов И 13 и 14 присутствует сигнал, уровень которого соответственно логике, выбранной в схеме, эквивалентен логическому нулю. Логические элементы И 13 и 14 независимо от уровней сигналов на их вторых входах формируют на своих выходах сигнал, уровень которого эквивалентен логическому нулю, удерживающий запертыми оба силовых ключа 15 и 16. В этом состоянии нагрузка отключена от источника питания, а конденсатор 6, в зависимости от места включения зарядной цепи 5 либо заряжается, либо также отключен от источника энергии.
При уровне сигнала на управляющем выводе 17, эквивалентном логической единице, выходные сигналы логических элементов И 13 и 14 будут принимать значения в соответствии с уровнями выходных сигналов узла управления 12. В этом режиме устройство способно коммутировать силовые ключи 15 и 16 и питать и защищать нагрузку.
Пусть на управляющем выводе 17 присутствует разрешающий сигнал. Если напряжение питания находится в допустимых пределах, выходной сигнал измерительного органа напряжения 7 имеет уровень между порогами срабатывания пороговых элементов 9 и 10 компаратора 8. Выходные сигналы пороговых элементов не активны, и на выходе логического элемента ИЛИ 11, а, следовательно, и на выходе компаратора 8, имеет место сигнал, по которому узел управления 12 формирует сигналы, в соответствии с которыми силовой ключ должен быть 15 открытым, а силовой ключ 16 - закрытым. Исходя из принятой выше логики, уровни этих сигналов должны быть эквивалентны соответственно логическим единице и нулю. Логические элементы И 13 и 14 подают соответствующие сигналы на управляющие переходы силовых ключей 15 и 16. Нагрузка подключена к источнику электроэнергии и нормально работает. Конденсатор 6 заряжается через зарядное устройство 5.
При выходе напряжения питания, например, выше допустимого предела (перенапряжение) выходной сигнал измерительного органа напряжения 7 превышает уровень срабатывания порогового элемента 9, его выходной сигнал становится активным, и компаратор 8 переключается. Узел управления 12 через логические элементы И 13 и 14 снимает отпирающий сигнал с силового ключа 15 и открывает силовой ключ 16. Потребитель отключается от источника питания и подключается к предварительно заряженному конденсатору 6, начинающего снабжать его электроэнергией. Максимальное напряжение на конденсаторе не должно превышать максимально допустимого значения напряжения питания и контролируется цепью заряда 5. Если продолжительность действия перенапряжения не превышает времени разряда конденсатора 6 ниже допустимого для нормального функционирования нагрузки уровня, то при возвращении напряжения питания на входных выводах 1 и 2 в норму, компаратор 8 переключается в исходное положение. Силовой ключ 15 замыкается и подключает нагрузку к источнику питания, а силовой ключ 16 размыкается, и конденсатор 6 начинает подзаряжаться через зарядную цепь 5.
Аналогичные процессы протекают в схеме при провалах входного напряжения ниже допустимого уровня. В этом случае переключения инициирует входящий в состав компаратора 8 пороговый элемент минимального уровня 10.
Наличие логического элемента ИЛИ 11 делает схему индифферентной к источнику инициирующего сигнала - порогового элемента минимального или максимального уровней.
Снятие разрешающего сигнала с управляющего вывода 17 независимо от условий электроснабжения и состояния внутренних элементов устройства размыкает силовые ключи 15 и 16 и отключает потребителя от всех источников энергии.
Таким образом, устройство выполняет функцию аппарата коммутации электрических цепей и эффективно защищает подключенную к его выходным выводам нагрузку от кратковременных флюктуации (перенапряжений или провалов) напряжения питания, обеспечивая тем самым ее бесперебойную работоспособность и надежность функционирования.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. В.Жданкин "Модуль поддержания напряжения уменьшает емкость буферного конденсатора на 80%" - Силовая электроника №1 (29), 2011.