УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОВТОРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ
AUTOMATIC RE-ACTIVATION DEVICE

Изобретение относится к автоматизации энергосистем и может быть использовано в защите устройств электроснабжения от короткого замыкания и бесперебойном электроснабжении исполнительных устройств автоматики при переходных электрических процессах.
Известно устройство автоматического повторного включения, содержащее источник тока, первый и второй преобразователь, коммутатор, первый и второй компаратор, первый и второй источник опорного напряжения, триггер, клемму «Вход», клемму «Выход», клемму «Общий» (см. патент № 2272347 «Устройство автоматического повторного включения» авторы Юдин В.В., Пешехонов В.А. Опубликовано 20.03.2006 г. Бюл. № 8).
К недостатку известного устройства относится то, что при работе с индуктивной нагрузкой (электродвигатели), с лампами накаливания или высокого давления возможно ложное срабатывание при повторном включении после самоустранения короткого замыкания из-за больших пусковых токов.
Наиболее близким устройством того же назначения к предложенному изобретению по совокупности признаков является устройство автоматического повторного включения, содержащее источник питания схемы управления, высокочастотный источник тока, первый и второй преобразователь, первый и второй коммутатор, первый и второй компаратор напряжения, первый и второй источник опорного напряжения, D-триггер, логический элемент (ЛЭ) 2И, клеммы «Вход», «Выход» и «Общий». (см. патент № 2706332 «Устройство автоматического повторного включения» авторы Юдин В.В., Сергеев В.А. и др. Опубликовано 18.11.2019 г. Бюл. № 32) и принятое за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, является высокая чувствительность к увеличению тока в цепи питания нагрузки при автоматическом повторном включении после самоустранения короткого замыкания. В случае работы устройства с индуктивной нагрузкой (например, стрелочные электроприводы), с лампами накаливания или высокого давления повторное включение сопровождается большими пусковыми токами с образованием электрических переходных процессов. Выбросы тока приведут к ложному срабатыванию первого преобразователя «переменный ток - выпрямленное напряжение» и к нежелательному отключению нагрузки.
Устройство содержит D-триггеры. Повторное включение питания со стороны сети электроснабжения без участия обслуживающего персонала приведет к установке на выходах D-триггеров случайной комбинации логических уровней, что может повредить схеме управления устройства, выполненной на интегральных микросхемах с питанием от низковольтного источника. Установку исходного состояния D-триггеров схемы управления необходимо осуществлять в ручном режиме.
Технический результат - защита устройства от ложного срабатывания, вызванного большими пусковыми токами при автоматическом повторном включении после самоустранения короткого замыкания в цепи питания нагрузки и автоматическая установка исходного состояния схемы управления после подачи на устройство питания со стороны сети электроснабжения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве автоматического повторного включения, содержащем источник питания, последовательно соединенные клемму «Вход», первый преобразователь, нормально замкнутые неподвижный и подвижный контакты первого коммутатора, клемму «Выход», второй преобразователь, включенный между неподвижным разомкнутым контактом первого коммутатора и клеммой «Общий», первый и второй компаратор напряжения, один вход которого соединен с информационным выходом первого и второго преобразователя соответственно, первый и второй источник опорного напряжения, выход которого соединен с другим входом первого и второго компаратора напряжения соответственно, логический элемент 2И, D-триггер, выход которого соединен с входом управления первого коммутатора, а вход установки нуля соединен с выходом логического элемента 2И, последовательно соединенные высокочастотный источник тока и второй коммутатор с одной стороны, отличие заключается в том, что в него дополнительно введены формирователь импульсов, схема установки исходного состояния, расширитель импульсов так, что выход первого компаратора соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с входом D-триггера, первый вход логического элемента 2И соединен с выходом схемы установки исходного состояния, вход которого соединен с выходом источника питания, и вход расширителя импульсов соединен с выходом второго компаратора напряжения, а выход расширителя импульсов соединен с вторым входом логического элемента 2И, причем второй коммутатор с другой стороны соединен с незамкнутым контактом первого коммутатора и входом второго преобразователя, и входы управления первого и второго коммутатора объединены.
Сущность изобретения заключается в следующем. Устройство автоматического повторного включения АПВ нашло широкое применение в исполнительных устройствах автоматики, в том числе в устройствах сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) на железной дороге. В процессе эксплуатации исполнительных устройств автоматики возможны разного рода воздействия, приводящие к временному появлению короткого замыкания в цепи питания, например, схлест проводов, замыкание пучков изолированных проводов и др. Цепь питания при таком роде замыканий способна к самовосстановлению до прибытия на место ремонтного персонала.
Устройство АПВ состоит из силовой части, которая выполняет коммутацию рабочего тока нагрузки и преобразование тока в выпрямленное напряжение, и низковольтной части - схемы управления коммутаторами, которая питается от отдельного источника питания. Устройство АПВ клеммами «Вход» и «Общий», а также источник питания подключают к выходной обмотке понижающего трансформатора (генератора напряжения). На первичную обмотку трансформатора подается напряжения со стороны сети электроснабжения. Клеммы «Выход» и «Общий» соединены с нагрузкой (исполнительным устройством автоматики) цепью питания.
Нагрузкой устройств АПВ могут быть электродвигатели для перевода стрелок, кодовые путевые трансмиттеры и т.д. (см., например, Сороко В.И., Фотькина Ж.В. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник в 4 кн. Кн. 1. - 4-е изд. - М: НПФ "Планета". 2013 - 1060 с.). При включении электродвигателя в цепи питания возникает переходной процесс пускового тока. Пусковой ток в начале переходного процесса превышает рабочий в 4-8 раз. Значительный пусковой ток имеют также лампы накаливания и высокого давления. Начальная амплитуда тока и время переходного процесса зависят от характера нагрузки.
В прототипе нагрузкой устройства АПВ являются обмотки реле, трансформаторов и др. Активное сопротивление обмоток реле значительно превышает активное сопротивление обмоток двигателей. Напряжение на обмотки реле устройств СЦБ подается в разные моменты времени, поэтому пусковые токи незначительны.
пп
пп
раб
Переходной процесс пускового тока I возникает также при присоединении к сети электроснабжения или при восстановлении исходного состояния устройства АПВ после самоустранения короткого замыкания (см. фиг. 2а). По истечении времени переходного процесса τ ток нагрузки уменьшается до рабочей величины I.
п1
Напряжение на информационном выходе преобразователя 1 «переменный ток - выпрямленное напряжение» U пропорционально изменению тока.
пп
п1
оп1
зад
р
пп
При возникновении переходного процесса пусковой ток I резко увеличивается. Напряжение U превысит установленное опорное напряжение U первого компаратора 6 и компаратор сработает (см. фиг. 2д). Переключение компаратора вызовет ложное защитное отключение на короткое замыкание. Для защиты от ложного срабатывания в предлагаемое устройство вводится расширитель импульсов 15. Расширитель импульсов (см., например, Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. - М.: Радио и связь, 1991 - с. 60, 61, 73) запускается импульсом второго компаратора 11 τ с отрицательным перепадом напряжения (см. фиг. 2з) и позволяет не прерывать питание нагрузки на период переходного процесса. Длительность расширенного импульса τ (см. фиг. 2и) задают предварительно, его величина больше или равна длительности переходного процесса τ. Расширенный импульс запрещает импульсам формирователя 8 (см., например, Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. - М.: Радио и связь, 1991 - с. 47, 59-65), полученным по передним фронтам импульсов с выхода первого компаратора 6, переключать D-триггер 14 (см. фиг. 2д, е).
В процессе эксплуатации устройства АПВ возможны отключения в сети электроснабжения. После восстановления электроснабжения постоянное напряжение источника питания 7 поступает на схему установки исходного состояния 9, которая формирует импульс установки нуля для D-триггера (см., например, Зельдин Е.А. Импульсные устройства на микросхемах. - М.: Радио и связь, 1991 - с. 50-57). Установленный логический ноль на выходе D-триггера обеспечивает соединение нагрузки через контакты коммутатора 2 с генератором напряжения.
На фигуре 1 изображена структурная схема устройства автоматического повторного включения.
Выход
Выход
п1
п2
На фигуре 2 показаны эпюры тока и напряжений работы устройства. На фиг. 2а,б) сплошными линиями показаны ток I и напряжение U на клемме «Выход». Пунктирными линиями показаны двухполупериодные выпрямленные напряжения U и U на информационных выходах первого 1 и второго 10 преобразователей, совместимые по уровню с сигналами структурных блоков устройства.
Устройство содержит первый преобразователь 1 «переменный ток -выпрямленное напряжение», первый коммутатор 2, второй коммутатор 3, высокочастотный источник тока 4, первый источник опорного напряжения 5, первый компаратор напряжения 6, низковольтный источник питания 7, формирователь импульсов 8, схему установки исходного состояния 9, второй преобразователь 10 «переменное напряжение - выпрямленное напряжение», второй компаратор напряжения 11, второй источник опорного напряжения 12, логический элемент 13 2И, D-триггер 14, расширитель импульсов 15, клемму «Вход», клемму «Выход», клемму «Общий».
Сеть электроснабжения понижающего трансформатора, понижающий трансформатор (генератор напряжения), цепь питания нагрузки и нагрузка условно не показаны.
paб
раб
Работа устройства осуществляется следующим образом. В установившемся рабочем режиме устройства переходной процесс и короткое замыкание в цепи питания нагрузки отсутствуют, на устройство подано рабочее напряжение U и протекает рабочий ток I (см. фиг. 2а, б). На выходе первого компаратора 6 присутствует уровень логического нуля. На выходе второго компаратора 11, формирователя импульсов 8, схемы установки исходного состояния 9, расширителя импульсов 15, логического элемента 2И 13 присутствует уровень логической единицы (см. фиг. 2 г, д, е, з, и в интервалах времени t6-t7 и t13-t на фиг. 2а). Логические уровни исходного состояния закладываются на этапе схемной реализации перечисленных структурных блоков. На информационном входе D-триггера 14 постоянно присутствует уровень логической единицы. Логический уровень на выходе D-триггера при включении имеет неопределенное состояние.
п
п
усn
уст
уст
тр
В момент времени t1 подключают устройство АПВ к сети электроснабжения (генератора напряжения). Включается источник питания Е 7 (см. фиг. 2в). Постоянное напряжение подается на схему установки исходного состояния 9 D-триггера 14, которая по переднему фронту напряжения Е формирует импульс с отрицательным перепадом напряжения U длительностью τ (см. фиг. 2г). Импульс τ поступает на первый вход логического элемента 2И 13 и далее на вход установки нуля D-триггера 14. На выходе D-триггера в момент времени устанавливается логический ноль (см. напряжение U на фиг. 2ж). Логический ноль подается на входы управления коммутаторов 2 и 3. Контакты коммутатора 2 остаются в нормально замкнутом состоянии, а коммутатора 3 в нормально разомкнутом состоянии.
пп
пп
п1
Выход
оп1
п1
оп1
к1
к1
ф
Одновременно в цепи питания нагрузки возникает переходной процесс пускового тока I длительностью τ.В преобразователе 1 переменный ток нагрузки преобразуется в двухполупериодное выпрямленное напряжение U на информационном выходе (на фиг. 2а показано пунктирной линией), пропорциональное току нагрузки на выходе устройства АПВ I. Выпрямленное напряжение поступает на один вход первого компаратора 6. На второй вход поступает напряжение U источника опорного напряжения 5. При достижении напряжения U на информационном выходе первого преобразователя опорного напряжения U, срабатывает первый компаратор 6 и на его выходе напряжение U увеличивается скачком до уровня логической единицы (см. фиг. 2д). По переднему фронту напряжения компаратора U формирователь импульсов 8 за время переходного процесса формирует серию импульсов с отрицательным перепадом напряжения длительностью τ (см. интервал времени t1-t2 на фиг. 2е).
ф
уст
зад
п2
ц
н
ит
ц
н
ц
н
оп2
ц
н
oп2
Импульса τ поступает на вход D-триггера, который срабатывает по заднему фронту импульса. Длительность импульса выбирают из условия τ>τ. На выходе D-триггера устанавливается логическая единица, которая поступает на входы управления коммутаторов 2 и 3 (см. фиг. 2ж) и переключает их. Через время задержки τ переключения коммутатора 2 (см. интервал времени t2-t3 на фиг. 2а) к клемме «Выход» подключается второй преобразователь 10 и высокочастотный источник тока 4 через замкнутые контакты второго коммутатора 3. Второй преобразователь 10 преобразует высокочастотное переменное напряжение в выпрямленное двухполупериодное напряжение U на информационном выходе, амплитуда которого пропорциональна изменению напряжения в цепи питания U и нагрузки U (см. фиг. 2б). Поскольку в цепи питания нагрузки отсутствует короткое замыкание, то ток высокочастотного источника тока 4 Iсоздает падение напряжения в цепи питания U и в нагрузке U. Сумма напряжений U+U подается на вход второго преобразователя 10. С выхода преобразователя 10 суммарное напряжение поступает на один вход компаратора 11, на второй вход которого поступает опорное напряжения U второго источника опорного напряжения 12. В момент времени t4 сумма напряжений U+U становится больше опорного напряжения U. Второй компаратор 11 срабатывает и на его выходе уровень логической единицы сменяется на уровень логического нуля (см. фиг. 2з).
р
р
пп
зад
пп
ср
ц
н
оп2
ит
По отрицательному перепаду выходного напряжения второго компаратора 11 расширитель импульсов 15 формирует импульс с отрицательным перепадом напряжения длительностью τ (см. фиг. 2и). Длительность импульса τ выбирают такой, чтобы за время его действия переходной процесс длительностью τ закончился. Импульс расширителя поступает на второй вход логического элемента 2И 13, далее на вход установки нуля D-триггера 14 и удерживает уровень логического нуля на его выходе. Контакты коммутаторов 2 и 3 через время задержки τ возвращаются в исходное состояние в момент времени t5 и ток переходного процесса I протекает через нагрузку. Время срабатывания τ, необходимое для достижения суммы напряжений U+U опорного напряжения U зависит от величины текущей фазы высокочастотного тока I в момент времени t3.
р
раб
pa6
За время действия импульса τ переключение D-триггера импульсами формирователя 8 не происходит. По окончании переходного процесса в момент времени t6 в цепи питания устанавливается рабочий ток Iи рабочее напряжение U. Этот режим сохраняется до появления короткого замыкания в цепи питания нагрузки в момент времени t7, или до появления следующего переходного процесса при включении электродвигателя, или при перебоях в электроснабжении.
кз
Выход
ит
При коротком замыкании в цепи питания нагрузки (см. фиг. 2а длительность импульса короткого замыкания τ в интервале времени t7-t11), при включении электродвигателя в процессе работы устройства или при перебоях в электроснабжении работа устройства повторяет всю перечисленную выше последовательности формирования управляющих сигналов и коммутаций тока нагрузки I и тока I высокочастотного источника тока 4. При этом цикл работы устройства в моменты времени t1-t7 повторяется в цикле работы в моменты времени t7-t13.
Таким образом, технический результат - защита устройства от ложного срабатывания, вызванного большими пусковыми токами при автоматическом повторном включении после самоустранения короткого замыкания в цепи питания нагрузки и автоматическая установка исходного состояния схемы управления после подачи на устройство питания со стороны сети электроснабжения, достигнут.