УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОДНОФАЗНЫХ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ ОТ ПОВЫШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для защиты однофазных электроприемников напряжением до 1 кВ от отклонений напряжения и может быть использовано для защиты электроприборов (теле- и аудиоаппаратуры, персональных компьютеров, сплит-систем и других бытовых приборов и средств офисной техники) от длительных (временных) перенапряжений в системах переменного, а также постоянного тока и последующего автоматического включения указанных приборов после восстановления напряжения до допустимого значения.
Отклонения фазного напряжения в распределительных электрических сетях напряжением 0,4 кВ от номинального значения 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.
Известно устройство защиты потребителя электроэнергии от перенапряжения [патент РФ №95105694]. Сущность изобретения заключается в том, что в его состав входит пороговый элемент, а в качестве выходного органа защиты от повышения напряжения используется транзисторный ключ. При номинальном напряжении сети указанный ключ заперт. В случае превышения некоторого заданного порога напряжения пороговый элемент, реагирующий на повышение напряжения, срабатывает. При этом транзисторный ключ отпирается, исполнительное средство срабатывает и фиксатор (защелка) - коммутационного аппарата освобождается. При этом силовые контакты коммутационного аппарата размыкаются. В результате отключаются от сети как потребитель, так и само устройство защиты.
Недостатком этого устройства является отсутствие возможности автоматического восстановления электропитания после возвращения напряжения сети в допустимый диапазон значений. Указанный недостаток приводит к тому, что потребитель может длительно оставаться без питания при возврате напряжения в диапазон допустимых значений.
Известно устройство для защиты потребителя от повышенного и пониженного напряжения в сети переменного тока [патент РФ №2136097] обеспечивающее отключение электроприемников при отклонениях напряжения и автоматическое восстановление питания после возврата напряжения в допустимый диапазон значений. Устройство содержит 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. Данное устройство обеспечивает мгновенное отключение потребителя от сети при напряжении 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.
Недостатком этого устройства является отсутствие зависимости выдержки времени на отключение электроприемников от уровня питающего напряжения. Последнее может приводить к излишним коммутациям защищаемых электроприемников при колебаниях напряжения в сети, вызываемых, например, работой сварочного аппарата.
Известно устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения в сетях переменного тока [патент РФ №2113046], содержащее пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган. Исполнительный орган является одновременно защитным устройством и состоит из силового симистора, управляющий электрод которого соединен с анодом через диодный мост с полевым транзистором, включенным в диагональ моста, затвор которого подключен к коллектору транзистора ключевого каскада, имеющего в цепи базы последовательно включенные резистор и стабилитрон, соединенные с истоком полевого транзистора, а его эмиттер подключен к накопительному конденсатору и двум пороговым элементам: верхнего предела напряжения и инвертирующего порогового элемента нижнего предела напряжения, включенными параллельно и соединенными через резистор с выпрямителем сетевого напряжения на диоде.
Существенным недостатком этого устройства, оснащенного электронным ключем (транзисторным, тиристорным или симисторным), является необходимость использования для охлаждения указанного ключа громоздких радиаторов. В результате устройство защиты имеет большие габариты и массу. Следует отметить также низкую стойкость электронных ключей к токам короткого замыкания (в соответствии с действующими стандартами указанный ключ должен выдерживать ток короткого замыкания 1500 А).
Известно устройство для защиты потребителя от недопустимых значений (отклонений) напряжения в сетях переменного и постоянного тока (прототип) [Св-во на полезную модель №19435], содержащее первый электромагнитный элемент с одним устойчивым состоянием, размыкающими силовыми контактами и обмоткой управления, причем
последняя включена последовательно с первым токоограничивающим элементом между первым и вторым входными выводами, а также подключенную между первым и вторым входными выводами через размыкающие силовые контакты первого электромагнитного элемента цепочку последовательно соединенных размыкающего устройства, второго токоограничивающего элемента и второго электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием, имеющего замыкающие и размыкающие силовые контакты, причем первый входной вывод устройства соединен через размыкающий силовой контакт первого электромагнитного элемента и замыкающий силовой контакт второго электромагнитного элемента с первым выходным выводом для подключения к выводам нагрузки, а второй входной вывод соединен через размыкающий силовой контакт первого электромагнитного элемента и замыкающий силовой контакт второго электромагнитного элемента со вторым выходным выводом для подключения к выводам нагрузки, при этом первый выходной вывод также соединен через размыкающий силовой контакт второго электромагнитного элемента с первым выходным выводом альтернативного источника питания, а второй выходной вывод устройства соединен через размыкающий силовой контакт второго электромагнитного элемента со вторым выходным выводом альтернативного источника питания.
Недостатками прототипа являются:
- повышенное потребление мощности токоограничивающими элементами (резисторами) при повышенном напряжении в питающей сети. В этих условиях в резисторах выделяется значительное количество тепла, что вынуждает увеличивать их габариты и, соответственно, габариты устройства в целом;
- отсутствие зависимости продолжительности работы электроприемников при отклонениях напряжения от значений указанных отклонений;
- отсутствие возможности дистанционного или телемеханического отключения, например, от системы АСКУЭ.
Указанные недостатки приводят к тому, что возможны отключения электроприемников при кратковременных отклонениях напряжения, не опасных по продолжительности действия. Указанные отключения могут приводить к нарушениям в работе персональных компьютеров, систем управления бытовыми электроприборами и др. Кроме того, при возникновении необходимости отключения или включения потребителя Энергосбытом или аналогичной ему организацией требуется коммутировать нагрузку вручную.
Технической задачей изобретения является защита однофазных электроприемников от повышения напряжения, что позволяет достигнуть технического результата заключающегося в исключении излишних отключений защищаемых электроприемников от
питающей сети при колебаниях напряжения, приближении характеристик защиты от отклонений напряжения по значениям напряжения и времени к характеристикам защищаемых электроприемников, обеспечении возможности дистанционной или телемеханической коммутации нагрузки, а также повышении надежности функционирования и уменьшении габаритов устройства путем снижения потребления мощности токоограничивающим элементом и в цепях питания электронной схемы устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройство зашиты однофазных электроприемников от повышения напряжения, 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.
На фигуре представлена функциональная схема устройства защиты однофазных электроприемников от повышения напряжения, которая содержит первый и второй входные выводы 1 и 2; первый и второй выходные выводы 3 и 4; электромагнитный элемент с одним устойчивым состоянием 5; обмотку управления 6; токоограничивающий элемент -компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) 7; первый и второй размыкающие силовые контакты 8 и 9; выпрямитель 10; делитель напряжения (ДН) 11; первый (ПЭ1) и второй (ПЭ2) пороговые элементы 12 и 13; логический элемент ИЛИ 14; элемент выдержки времени на срабатывание и на возврат (ЭВВ) 15; первый (К1) и второй (К2) замыкающие ключи 16 и 17; одновибратор (0В) 18; три последовательно соединенных резистивных элемента (R1, R2, R3) 19-21; параметрический стабилизатор напряжения (ПСН) 22.
Устройство работает следующим образом. При отсутствии питающего напряжения размыкающие силовые контакты 8 и 9 замкнуты, все элементы схемы обесточены, на выходе параметрического стабилизатора напряжения 22 напряжение отсутствует и электронная схема не имеет питания. Пороговые элементы 12 и 13 находятся в несработанном состоянии. Замыкающие ключи 16 и 17 разомкнуты и не шунтируют резистивные элементы 20 и 21. На резистивных элементах 19-21 напряжение отсутствует.
В нормальном рабочем режиме напряжение питающей электрической сети находится в допустимом диапазоне значений. При этом пороговые элементы 12 и 13 находятся в несработанном состоянии и замыкающие ключи 16 и 17 разомкнуты. Параметры обмотки управления б электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием 5 и размыкающими силовыми контактами 8 и 9, а также режим работы токоограничивающего элемента - (КСН) 7 выбирают таким образом, чтобы при допустимом значении питающего напряжения электромагнитный элемент с одним устойчивым состоянием 5 и размыкающими силовыми контактами 8 и 9 находился в несработанном состоянии (контакты 8 и 9 замкнуты). В результате к защищаемым электроприемникам подается питание.
В случае превышения напряжением сети значения первой уставки срабатывает первый пороговый элемент 12, элемент выдержки времени на срабатывание и на возврат 15 запускается и через логический элемент ИЛИ 14 осуществляет включение первого замыкающего ключа 16. Кроме того, напряжение с выхода логического элемента ИЛИ 14 через одновибратор 18 вызывает включение второго замыкающего ключа 17. Вследствие уменьшения сопротивления в цепи элементов: компенсационного стабилизатора напряжения 7, параметрического стабилизатора напряжения 22 и обмотки управления 6 компенсационный стабилизатор напряжения 7 увеличивает ток в указанной цепи до значения, превышающего ток втягивания якоря, и электромагнитный элемент с одним устойчивым состоянием 5 размыкает размыкающие силовые контакты 8 и 9, т.е. отключает питание от
защищаемых электроприемников. После затухания переходного процесса в одновибраторе 18 замыкающий ключ 17 размыкает свои контакты. Ток в цепи обмотки управления 6, параметрического стабилизатора напряжения 22 и компенсационного стабилизатора напряжения 7 уменьшается до значения, достаточного для удержания якоря электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием 5 во втянутом состоянии. Питание к защищаемым электроприемникам не подается.
Если напряжение сети превышает значение второй уставки, то срабатывает второй пороговый элемент 13 и включает первый замыкающий ключ 16 без выдержки времени. При этом также включается второй замыкающий ключ 17. Включение замыкающего ключа 17 вызывает втягивание якоря электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием 5 и размыкающими силовыми контактами 8 и 9 и размыкание его контактов. Защищаемые электроприемники отключаются от питающей электрической сети, а после размыкания контактов второго замыкающего ключа 17 якорь электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием 5 удерживается во втянутом состоянии с уменьшенным током в обмотке управления 6. Защищаемые электроприемники питание не получают.
Возвращение питающего напряжения в допустимый диапазон значений вызывает возврат пороговых элементов 12 и 13, первого замыкающего ключа 16 и электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием 5 и размыкающими силовыми контактами 8 и 9 в исходное состояние. При этом защищаемые электроприемники вновь подключаются к сети с замедлением, определяемым выдержкой времени на возврат элемента времени с выдержкой времени на срабатывание и на возврат 15.
Параметрический стабилизатор напряжения 22, обеспечивающий питание электронной схемы устройства, включен последовательно с обмоткой управления 6 электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием 5 и компенсационньм стабилизатором напряжения 7 и при повышенном напряжении в питающей электрической сети не подвергается значительным перегрузкам. Это объясняется стабилизацией тока в его цепи компенсационным стабилизатором напряжения 7. Благодаря этому исключается необходимость в громоздких радиаторах для охлаждения элементов устройства.
Предложенное устройство обладает совокупностью следующих достоинств, которой не обладает ни одно из известных устройств того же целевого назначения: вольт-секундные характеристики устройства максимально приближены к характеристикам защищаемых объектов, вследствие чего обеспечивается полноценная защита потребителя при длительных (временных) перенапряжениях, вызванных обрывом нулевого провода распределительной электрической сети, а также попаданием напряжения городского электрического транспорта в распределительную электрическую сеть. Кроме того,
исключаются излишние коммутации защищаемых электроприборов при не опасных по длительности колебаниях напряжения в электрической сети, вызванных, например, работой электросварочного аппарата;
- автоматическое повторное включение защищаемых электроприборов при возврате напряжения в допустимый диапазон значений, например, 180...250 В;
- возможность дистанционного или телемеханического отключения электроприборов от питающей электрической сети внешними устройствами, например, с помощью автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ) путем подачи отключающего сигнала на один из входов логического элемента ИЛИ 14;
- минимальные масса и габариты, что обеспечивается рациональным сочетанием электронных и электромеханических приборов.
В частности, для коммутации защищаемых электроприемников использован малогабаритный электромеханический контактор, находящийся в нормальных условиях в несработанном состоянии, благодаря чему в этих условиях по его обмотке управления проходит незначительный ток; высокая стойкость к токам короткого замыкания в силовой цепи, что обусловлено использованием электромеханического контактора;
- отсутствие электронных силовых ключей с громоздкими радиаторами для коммутации нагрузки;
- отсутствие радиаторов для охлаждения элементов устройства электронной схемы, что достигнуто за счет использования электромагнитного элемента с одним устойчивым состоянием и размыкающими силовыми контактами и применения в качестве токоограничивающего элемента компенсационного стабилизатора напряжения, а также питания электронной схемы устройства от параметрического стабилизатора напряжения, включенного последовательно с токоограничивающим элементом. Благодаря этому по элементам устройства длительно проходят относительно небольшие токи. Поэтому предложенное устройство имеет малые габариты и может быть размещено внутри этажного электрического щитка и укреплено на стандартных электротехнических DIN-рейках для устройств защитного отключения и автоматических выключателей. Оно может быть также размещено внутри защищаемого электроприбора, например, сплит-системы.
Заявляемое устройство промышленно осуществимо, несложно и может быть изготовлено из стандартных электро- и радиоэлементов. Экспериментальный образец устройства показал высокую надежность и работоспособность.