УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

Заявляемая полезная модель относится к системам защиты потребителей вторичного напряжения постоянного тока и может быть использовано для защиты промышленных и потребительских электронных устройств и систем.
Известно устройство защиты от перенапряжения (80594 U1 опубл. 10.02.2009 г.), содержащее делитель напряжения, подключенный между входом устройства и землей, выход делителя подключен к входу установки порога контроллера ключа защиты от перенапряжения, первый и второй выходы которого соединены с затвором и истоком КМОП-транзистора соответственно, а третий выход подключен к земле. Сток КМОП-транзистора подключен к входу устройства, а исток является выходом устройства, причем вход устройства через резистор подключен к катоду диода Зенера и к входу контроллера ключа защиты от перенапряжения, а анод диода Зенера подключен к земле.
Недостатком устройства является его низкая надежность, т.к. при коротком замыкании выхода оно практически мгновенно выходит из строя и это никак не контролируется.
Известно устройство защиты от перенапряжения (109882 U1 опубл. 27.10.2011 г.), содержащее делитель напряжения, подключенный между входом устройства и землей. Выход делителя подключен к входу установки порога контроллера ключа защиты от перенапряжения, первый и второй выходы которого соединены с затвором и истоком КМОП-транзистора соответственно, а третий выход подключен к земле. Сток КМОП-транзистора подключен к входу устройства. Вход устройства защиты от перенапряжения через резистор подключен к катоду диода Зенера и к входу контроллера ключа защиты от перенапряжения, а анод диода Зенера подключен к земле. Для увеличения надежности предлагаемого устройства введены интеллектуальный ключ и два индикатора. При этом исток КМОП-транзистора подключен к питающему и управляющему входам интеллектуального ключа, коммутируемый выход которого является выходом устройства защиты от перенапряжения и подключен к первому индикатору, а диагностический выход подключен ко второму индикатору, вход питания которого подключен к истоку КМОП-транзистора.
Недостатком устройства является то, что он работает только по установленному порогу, а индикаторы не отражают истинного значения напряжения сети. Кроме того, устройство не обеспечивает ложного срабатывания защиты при переходных процессах с повышением напряжения.
В качестве устройства-прототипа данного технического решения выбрано устройство защиты от перенапряжения (патент РФ №2457596, опубликованный 27.07.2012 г.), содержащее выключающее реле и цепь детектирования напряжения. Выключающее реле включено в цепь последовательно между сетью питания переменного тока и схемой коррекции коэффициента мощности блока питания. Первый узел выборки напряжения цепи детектирования напряжения осуществляет выборку напряжения сети питания переменного тока между сетью питания переменного тока и выключающим реле, при этом выход цепи детектирования напряжения подключен к узлу управления выключающим реле. Когда в сети переменного тока происходит бросок напряжения, выключающее реле отключает блок питания от сети питания переменного тока. Когда напряжение сети питания переменного тока возвращается к нормальному значению, выключающее реле переходит в рабочее состояние.
Основным недостатком устройства-прототипа, является потеря точности измерения напряжения в цепи с течением времени.
Это объясняется тем, что характеристики узла выборки напряжений зависят от емкости конденсатора, стоящего на входе операционного усилителя. Между тем, конденсаторы имеют свойство «рассыхаться» с течением времени, что приводит к частичной потери емкости. А емкость конденсатора рассчитывается исходя из частоты, формы и определенного значения тока сети. Поскольку из-за разброса значения напряжений форма измеряемого сигнала будет отличаться от синусоидальной, то сигнал будет иметь достаточно широкий спектр, в котором присутствуют частоты отличные от частоты основного тона. Указанные обстоятельства также негативно влияют на точность измерения.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения напряжений и исключение зависимости точности измерений от времени (при «старения» конденсаторов).
Сущность полезной модели состоит в том, что устройство защиты от перенапряжения (УЗП) содержит блок корректировки коэффициента мощности (БККМ), к первому и второму входам которого соответственно подсоединен первый и второй выход блока фильтра выпрямителя (БФВ), к первому и второму входам которого соответственно подключены выход первого выключающего реле (ВР1) и выход второго выключающего реле (ВР2), а параллельно к первому входу ВР1 и первому входу ВР2 соответственно подключен первый и второй входы блока измерителя среднеквадратичного и мгновенного значений напряжения (БИС и МЗН), а выход БИС и МЗН подключен ко вторым входам ВР1 и ВР2, причем первые входы ВР1 и ВР2 являются входами УЗП, а первый и второй выход БККМ являются выходами УЗП. При этом БИС и МЗН состоит из многоразрядной шины данных (МШД), к которой подключены аналого-цифровой преобразователь (АЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), арифметически-логическое устройство (АЛУ), таймер и устройство ввода-вывода (УВВ). Причем к таймеру подключен тактируемый генератор (ТГ), а вход УВВ является входом БИС и МЗН и одновременно входом УЗП, а управляющий выход УВВ является выходом БИС и МЗН.
Новым в предлагаемой полезной модели является введение БИС и МЗН, причем БИС и МЗН состоит из МШД, АЦП, ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, таймера, ТГ и УВВ.
Таким образом, заявляемое УЗП соответствует критерию "новизна технического решения".
Принцип работы БИС и МЗН основан на дискретном способе расчета среднеквадратичного значения напряжения сети и амплитудного коэффициента, значение которого сравнивается с пороговым значением, и по результатам сравнения принимается решение об отключении нагрузки от сети посредством воздействия сигнала на управляющие входы ВР1 и ВР2.
Сравнение заявляемого технического решения с другими аналогичными техническими решениями показывает, что вновь введенные в заявляемое УЗП элементы БИС и МЗН реализуемы и известны специалистам в данной области техники. Следовательно, дополнительного творчества не требуется.
Заявляемое техническое решение явным образом не следует из уровня техники и существенно отличается от известных устройств в данной области техники. При этом заявляемое техническое решение может быть изготовлено на основе существующих блоков, используемых в вычислительной технике и энергетике, и является промышленно применимым, т.е. соответствует критерию "промышленной применимости". Все составные элементы БИС и МЗН, а именно, МШД, АЦП, ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, таймер, ТГ и УВВ могут быть реализованы как отдельные устройства.
На фиг. 1 представлена схема устройства защиты от перенапряжения, где обозначены: 1 - БККМ; 2 - БФВ; 3 - ВР1; 4 - ВР2; 5 - БИС и МЗН.
На фиг. 2 представлена схема блока измерителя среднеквадратичного и мгновенного значений напряжения, где обозначены: 51 - УВВ; 52 - МШД; 53 - таймер; 54 - ТГ; 55 - АЛУ; 56 - ОЗУ; 57 - ПЗУ; 58 - АЦП.
Согласно фиг. 1 УЗП содержит БККМ, выходы 1.1 и 2.1 которого являются выходами УЗП. К входам 1.1 и 2.1 БККМ подсоединены соответственно выходы 1.2 и 2.2 БФВ. К входу 1.2 БФВ подсоединен выход 1.3 ВР1, а к входу 2.2 БФВ подсоединен выход 1.4 ВР2. Вход 1.3 ВР1 и вход 1.4 ВР2 являются входом УЗП. Параллельно к входу 1.3 и 1.4 подсоединен вход 1.5 и вход 2.5 БИС и МЗН (см. фиг. 2) соответственно. А выход 1.5 БИС и МЗН соединен с управляющими входом 2.3 ВР1 и управляющим входом 2.4 ВР2.
Согласно фиг. 2 к МШД подсоединены таймер, АЛУ, ОЗУ, ПЗУ, АЦП, а также выход 1.1 УВВ, вход 1.1 которого представляет двухпроводную линию, соответственно вход 1.5 и вход 2.5 (см. фиг. 1). Выход 2.1 УВВ представляет выход 1.5 БИС и МЗН на фиг. 1. К таймеру подключен ТГ.
Устройство защиты от перенапряжения функционирует следующим образом.
При подключении УЗП к сети, БИС и МЗН посредством УВВ через входы 1.5 и 2.5 считывает мгновенные значения напряжений (МЗН) на длительности периода синусоидального тока, которые через МШД поступают в АЦП, и после оцифровки в ОЗУ. Одновременно включается таймер, который тактируется ТГ, и отсчитывает временные интервалы считывания МЗН в соответствии с формулой
сигн
сигн
где Т - длительность измерений (для тока с частотой 50 Гц Т=20 мс), N - число измерений за период (число измерений может быть любым, например 200, чем больше N, тем точнее измерения).
тайм
В соответствии с каждым Т результаты МЗН с АЦП через МШД записываются в ОЗУ, в котором отведено место для N МЗН.
По заполнению ОЗУ N МЗН, таймер останавливается. Далее АЛУ считывает из ОЗУ каждое значение МЗН, начиная с первого, возводит в квадрат и последовательно суммирует и делит на общее количество МЗН по формуле
где  - мгновенное измеренное значение напряжения сети; N - число выборок, взятое за время прохождения полуволны синуса.
скз
В результате вычисляют среднеквадратичное значение напряжение U за один период.
скз
Кроме того, в АЛУ вычисляется максимальное значение МЗН путем последовательного сравнения поступающих с АЦП МЗН. Если новое МЗН больше предыдущего, то на место старого значения записывается новое МЗН. При включении УЗП и после окончания вычисления U, максимальное МЗН в ОЗУ обнуляется.
Затем АЛУ вычисляет амплитудный коэффициент по формуле
мах
сигн
скз
где U - максимальное МЗН, полученное за время Т; U - среднеквадратичное значение напряжения, рассчитанное по формуле (2).
После этого, вычисленное по формуле (3) значение КА сравнивается с пороговым значением, записанным в ПЗУ и при превышении его более чем на допустимое значение, посредством воздействия вырабатываемого АЛУ сигналом воздействует на управляющие входы ВР1 и ВР2, которые отключают УЗП от потребителя.
А
В качестве сравниваемого значения может выступать величина К=1,41, которая соответствует коэффициенту амплитуды синусоидального сигнала, со стабильной амплитудой. А в качестве порогового значения может выступать величина допустимого превышения напряжения, которая определяется индивидуально для конкретной нагрузки, подключаемой к УЗП.
Для защиты от пиковых бросков напряжения в сети, АЛУ формирует сигнал, поступающий на управляющие входы ВР1 и ВР2, также в том случае, если в процессе выбора максимального МЗН, поступающее очередное значение  более чем в 2 раза превысит величину предыдущего МЗН.
При снижении напряжения в сети до допустимого уровня, сигнал с АЛУ перестает воздействовать на управляющие входы ВР1 и ВР2. И ВР1 и ВР2 переходят в рабочее состояние, а напряжение подается на нагрузку через блок фильтра выпрямителя, обеспечивающего выпрямление поступающего напряжения и блок корректировки коэффициента мощности, обеспечивающего стабилизацию значения напряжения, подаваемого на нагрузку.
Реализация БККМ, БФВ, ВР1, ВР2 известна, см. патент РФ №2457596, опубликованный 27.07.2012 г. Устройства МШД, АЦП, ОЗУ, ПЗУ, АЛУ, таймер, ТГ и УВВ, входящие в состав БИС и МЗН также известны, они реализованы, например, в микроконтроллере 1887ВЕ7Т фирмы НИИЭТ (см. http://www.niiet.ru/chips?id=418).
Таким образом, введение в УЗП БИС и МЗН обеспечило повышение точности измерения напряжений сети и исключение зависимости точности измерений от времени, ввиду отсутствия конденсаторов в составе БИС и МЗН.