УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОЦЕНКИ ТОКА КАСАНИЯ И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИБОРА ПРОТИВ ТАКИХ ТОКОВ КАСАНИЯ
DEVICE AND METHOD FOR PICK-UP CURRENT ESTIMATION AND PROTECTION OF ELECTRIC APPLIANCE AGAINST SUCH PICK-UP CURRENTS

Изобретение касается защиты электрических приборов против токов утечки и, в частности, защиты устройств зарядки батарей электрических транспортных средств против токов утечки, которые могут появляться при подключении зарядного устройства к электроэнергетической сети.
Используемые в некоторых электрических автомобилях зарядные устройства являются неизолированными. Каждый элемент зарядного устройства имеет синфазную входную емкость по отношению к раме. Во время соединения с электроэнергетической сетью напряжения, подаваемые на вышеуказанные различные элементы, могут вызвать появление токов утечки через эти емкости на землю.
Эти токи утечки на землю могут при появлении вызвать срабатывание дифференциальной защиты остаточного тока, которая может прервать процесс зарядки.
В случае, когда пользователь прикасается к кузову электрического транспортного средства во время зарядки, токи утечки на землю становятся так называемыми токами «касания» или «контактными» токами, если в заземлении транспортного средства имеются дефекты. Эти токи касания ограничены международной нормой 61851-21 до значения 3.5 мА.
С целью ограничения этих токов было предложено использовать трансформатор, создающий гальваническую изоляцию между электросетью и батареей.
Используемые трансформаторы являются объемными, и их размер увеличивается пропорционально мощности зарядки или пропорционально проходящему через них току. Поэтому недостатком этого решения является удорожание, а также увеличение объема устройства, что отрицательно сказывается на электрическом автотранспортном средстве.
Кроме того, современные зарядные устройства можно подсоединять к однофазным сетям или к трехфазным сетям, чтобы получать более высокую мощность зарядки. Таким образом, при подключении к трехфазной сети проблемы на используемых трансформаторах увеличиваются.
Было также предложено переключать токи утечки на нейтраль электрической сети, например, при помощи конденсатора, подключенного между кузовом электрического транспортного средства и нейтралью.
Недостатком решений ограничения токов является невозможность учета увеличения токов утечки. Такое увеличение может стать результатом увеличения паразитной емкости или следствием дефекта компенсационной системы. Таким образом, системы ограничения токов утечки не могут поддерживать ток касания на раме ниже 3.5 мА.
В связи с вышеизложенным изобретение призвано предложить оценку токов касания и обеспечить защиту электрического транспортного средства во время изменений токов касания.
Изобретение призвано также обеспечить поддержание значения токов касания ниже заранее определенного предельного значения.
Таким образом, первым объектом изобретения является устройство защиты электрического прибора против токов касания, при этом указанный прибор предназначен для подключения между источником электрической энергии и бортовым агрегатом автотранспортного средства.
Это устройство содержит схему обнаружения токов утечки и оценки токов касания, предназначенную для подключения к линиям электрического соединения прибора, схему измерения тока массы и средства управления работой прибора в зависимости от оценочного уровня токов касания и от измеренного уровня тока массы.
Таким образом, средства управления позволяют разрешать или блокировать питание электрической энергией, если появляются повышенные токи утечки или если токи утечки исчезают.
Предпочтительно источником электрической энергии может быть трехфазная или однофазная сеть питания.
Электрический прибор может быть устройством зарядки батареи, установленной на автотранспортном средстве, при этом электрическое автотранспортное средство является автотранспортным средством на электрической тяге или гибридным автотранспортным средством.
Другим объектом изобретения является способ защиты электрического прибора против токов касания, при этом указанный прибор предназначен для подключения между источником электрической энергии и бортовым агрегатом автотранспортного средства.
Согласно общему отличительному признаку способа, он включает в себя обнаружение токов утечки, оценку токов касания, измерение тока массы и управление работой прибора в зависимости от оценочного уровня токов касания и от измеренного уровня тока массы.
Предпочтительно электрический прибор подключают к источнику электрической энергии и питание электрической энергией бортового агрегата блокируют в зависимости от оценочного уровня токов касания и от измеренного уровня тока массы.
Таким образом, во время подключения бортовой агрегат не получает питание автоматически.
Если измеренный ток массы ниже определенного первого порогового значения, питание электрической энергией бортового агрегата блокируют.
Слишком слабый ток массы может свидетельствовать о дефекте заземления, поэтому необходимо заблокировать питание электрической энергией бортового агрегата.
Если измеренный ток массы превышает определенное второе пороговое значение, питание электрической энергией бортового агрегата разрешено.
Если оценка токов касания превышает определенное третье пороговое значение, питание электрической энергией бортового агрегата разрешено.
Если оценка токов касания превышает определенное четвертое пороговое значение, питание электрической энергией бортового агрегата блокируют.
Другие преимущества и отличительные признаки изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера и иллюстрированного прилагаемыми чертежами.
На фиг.1 показано схематичное отображение общего принципа защиты против токов утечки в соответствии с изобретением;
на фиг.2 показан вариант осуществления устройства в соответствии с изобретением;
на фиг.3 представлено осуществление способа защиты в соответствии с изобретением.
На фиг.1 представлен принцип генерирования токов утечки в электрическом транспортном средстве, к которому подключено гальванически неизолированное устройство зарядки батареи.
Вместе с тем, необходимо сразу отметить, что этот принцип можно применять для любого прибора типа устройства зарядки батареи или другого устройства, в частности, для автотранспортного средства на электрической тяге или гибридного автотранспортного средства, в котором после подключения прибора могут появляться токи касания при касании к кузову транспортного средства.
На этой фигуре цифровой позицией 1 обозначено все транспортное средство, а позицией 2 - электропроводящая конструкция транспортного средства, в данном случае кузов транспортного средства.
Показанное электрическое автотранспортное средство 1 оборудовано зарядным устройством 3 и, кроме того, содержит набор батарей и силовую электрическую установку, не показанные на этой фигуре.
Разумеется, транспортное средство 1 может быть также оборудовано различными дополнительными агрегатами, которые не показаны на фигуре для упрощения чертежа.
Зарядное устройство 3 соединено с электросетью питания через электрическое соединение 4. Электрическое соединение 4 может иметь несколько фаз. На электрическом соединении 4 устанавливают устройство 5 защиты зарядного устройства 3.
Когда зарядное устройство 3 подключают к электрической сети, паразитная емкость 6 создает ток утечки между зарядным устройством 3 и конструкцией 2.
T
Если пользователь 7 касается кузова транспортного средства 2, через этот кузов проходит ток I касания, создаваемый в паразитной емкости 6.
M
Ток утечки производит также ток массы I.
Устройство 5 защиты позволяет обнаруживать появление токов утечки и управлять зарядным устройством 3 в зависимости, в частности, от токов утечки.
На фиг.2, детально показывающей архитектуру защитного устройства 5, представлено транспортное средство 1, имеющее три электрических соединения 4a, 4b и 4c, обеспечивающих подключение транспортного средства к трехфазной или однофазной сети, и соединение 8 для заземления.
Схема 9 обеспечивает оценку в зависимости от тока, поступающего в зарядное устройство 3.
Схема 9 может производить измерение электромагнитного потока при помощи кольцевого измерителя, содержащего фазы и заземление.
Эта схема 9 может также содержать средства вычисления разности измерения между током массы и током утечки. Измерение тока утечки включает в себя измерение тока утечки трех фаз.
Схема-адаптер 10 позволяет адаптировать выход схемы оценки 9 тока касания для соединения с блоком обработки 11. Схема-адаптер 10 содержит узел из трех резисторов 12 и двух конденсаторов 13.
Блок 11 обработки содержит средства управления зарядным устройством 3.
Схема 14 измерения токов массы расположена на соединении 8 с землей. Эта схема 14 соединена при помощи резистора 15 с блоком 11 обработки.
На фиг.3 представлены различные этапы, осуществляемые устройством защиты электрического прибора против токов утечки.
В данном случае эти этапы осуществляют на электрическом автотранспортном средстве 1, содержащем зарядное устройство 3.
Зарядное устройство 3 подключают к сети электрического питания, которая может быть однофазной или трехфазной, во время подключения, осуществляемого на этапе Е1.
М
T
Затем одновременно осуществляют два этапа измерения и оценки Е2 и Е3. Этап Е2 соответствует измерению тока массы I при помощи схемы 14. Этап Е3 соответствует оценке токов I касания при помощи схемы 9.
M
За этапом Е2 следует этап Е4 сравнения, на котором ток I сравнивают с одним или несколькими пороговыми значениями, определенными, например, во время тестов.
M
Например, если измеренный ток I меньше первого порогового значения, значит количество тока, достигающего массы, является слишком незначительным, что может указывать на дефект заземления. Во время этапа Е6 зарядка запрещена.
M
Если ток I превышает второе определенное пороговое значение, это значит, что количество тока, выходящего из зарядного устройства 3, является достаточным и указывает на наличие заземления, и зарядка разрешена (этап Е7).
T
За этапом Е3 следует этап сравнения Е5, на котором оценочный ток I касания сравнивают с одним или несколькими заранее определенными пороговыми значениями.
T
Если оценочный ток I меньше третьего заранее определенного порогового значения, зарядку можно разрешить (этап 7), и пользователь может, не опасаясь, трогать конструкцию 2.
T
Если оценочный ток I превышает четвертое заранее определенное пороговое значение, зарядку запрещают (этап Е6).
Как и в предыдущем случае, эти третье и четвертое пороговые значения можно получить путем тестирования, и предпочтительно их фиксируют, например, на 3.5 мА.
Благодаря изобретению, получают устройство, которое можно применять в любом типе неизолированного электрического прибора. Изобретение обеспечивает защиту пользователей и прибора в любой момент его использования. Кроме того, защиту можно осуществлять во время подключения к однофазной сети или к трехфазной сети.
T
M
В частности, способ защиты в соответствии с изобретением может включать в себя этап передачи сообщения об обнаружении слишком большого тока I касания или слишком малого тока массы I в сеть питания электрического прибора 3, чтобы остановить зарядку электрического прибора 3.
В частности, в случае, когда электрический прибор 3 является электрическим транспортным средством, сообщение можно, например, передать с бортового компьютера транспортного средства, управляющего электрической зарядкой транспортного средства, через линию связи, называемую «управляющей линией», на зарядную колонку, питающую электрический прибор 3. При получении этого сообщения зарядная колонка размыкает соединитель, отключая соединения 4a, 4b, 4c и 8 от трехфазной или однофазной сети, которая до этого питала транспортное средство.