BG2066U1

BG2066U1 - Device for switching of capacitive loads

Info

Publication number: BG2066U1
Application number: BG002813U
Authority: BG
Inventors: Паско ПАСКОВ; Пламен ЙОРДАНОВ
Original assignee: "Елка Инженеринг" Оод
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2015-05-29

Abstract

The device according to the utility model relates to the field of systems for the switching of active and reactive load to the power supply and will find application in devices for the compensation of reactive energy evolved by the operation of the inductive loads, including electric motors, transformers, inductors, relays and others. The device includes an electromagnetic relay (1), parallel connected to the semiconductor relay (2), the relay (1) is equipped with a coil turn (1.1) and the coil cut-out (1.2). One terminal of the coil (1.1) incorporating the electromagnetic relay (1) is connected to a DC power supply (Vcc) and the other is connected to a resistor (R1), whose second terminal is converted into a control input (2.1) for switching the electromagnetic relay (1). In parallel to the coil (1.1) incorporating the electromagnetic relay (1) is connected to the capacitor (C1) which forms the time delay circuit with the resistor (R1). One terminal of the coil (1.2) to turn off the electromagnetic relay (1) is connected to the DC power supply (Vcc), the other is converted into a control input (2.2) for the exclusion of the electromagnetic relay (1). Semiconductor relay (3), which is also connected to the DC power supply (Vcc), is provided with a control input (3.1) for operation in the voltage-level, which is connected via a resistor (R2) to the input (2.1) incorporating the electromagnetic relay (1).

Description

Област на техникатаField of technology

Устройството съгласно полезния модел се отнася до областта на системите за комутиране на активни и реактивни товари към електрическо захранване, и ще намери приложение най-вече в устройства за компенсиране на реактивна енергия, образуваща се при работа на индуктивни товари, в това число електромотори, трансформатори, дросели, релета и др.The device according to the utility model relates to the field of systems for switching active and reactive loads to the power supply, and will find application mainly in devices for compensating reactive energy generated during the operation of inductive loads, including electric motors, transformers , chokes, relays, etc.

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известно е устройство за комутиране на капацитивен товар към източник на електрическа енергия, което се използва за компенсация на реактивната енергия, консумирана от уредите в електрическа верига. Устройството се състои от два паралелно свързани тиристора, чиито посоки на отпушване са противоположни. Последователно на тиристорите е свързан капацитивния товар, който подлежи на паралелно свързване към уредите, чиято реактивна енергия се компенсира.A device for switching a capacitive load to a source of electrical energy is known, which is used to compensate for the reactive energy consumed by the devices in an electrical circuit. The device consists of two thyristors connected in parallel, whose unlocking directions are opposite. The capacitive load is connected in series to the thyristors, which is subject to parallel connection to the devices, whose reactive energy is compensated.

Функционирането на устройството се осъществява под управление на микроконтролер, който е свързан с управляващите електроди на двата тиристора, и не е съставна частна описаното устройство. При необходимост от компенсация на консумираната реактивна енергия, микроконтролерът отпушва първия тиристор в началото на всеки положителен полупериод на мрежовото напрежение, а в началото на всеки отрицателен полупериод, отпушва втория тиристор. Така положителният полупериод преминава през единия тиристор, а отрицателният - през другия, при което капацитивният товар е комутиран през двата полупериода. Отпушването се осъществява чрез подаване на управляващ правоъгълен импулс към управляващия електрод на съответния тиристор, като импулсът се подава в момента на преминаване на мрежовото напрежение през нула. Комугирането на капацитивния товар при близка до нулева стойност на мрежовото напрежение, осигурява намаляване на натоварването на кондензатора при първоначалното му зареждане. Така се постига удължаване на експлоатационния живот на кондензатора.The operation of the device is carried out under the control of a microcontroller, which is connected to the control electrodes of the two thyristors, and is not part of the described device. If it is necessary to compensate for the reactive energy consumed, the microcontroller unlocks the first thyristor at the beginning of each positive half-cycle of the mains voltage, and at the beginning of each negative half-cycle, unlocks the second thyristor. Thus, the positive half-cycle passes through one thyristor, and the negative - through the other, where the capacitive load is switched during the two half-cycles. The unlocking is performed by applying a control rectangular pulse to the control electrode of the respective thyristor, the pulse being applied at the moment of passing the mains voltage through zero. The commutation of the capacitive load at close to zero value of the mains voltage provides a reduction of the capacitor load during its initial charging. This prolongs the service life of the capacitor.

Както става ясно от описаната функция на известното устройство, всеки от тиристорите се отпушва под управление на микроконтролера в началото на своя работен полупериод, и в края му се запушва. Както всеки полупроводников елемент, 5 тиристорът се характеризира с праг на минимално напрежение на отпушване, под който през него не протича ток. Отпушването на тиристора е възможно при напрежение от поне 3V между управляващия електрод и катода. В резултат от това, при стойности 1 θ на мрежовото напрежение в интервала между -3 V и 3 V, комугираният капацитивен товар не е включен във веригата и върху него няма пад на напрежение. Следователно, падът на напрежение върху капацитивния товар не се изменя по синусоидален 15 закон, а по периодичен закон, който наподобява синусоидална форма, но има постоянна стойност от 0V през времевите интервали, когато мрежовото напрежение е между -3V и 3V. Тази особеност се явява съществен недостатък на известното устройство, тъй като изменението на напрежението върху капацитивния товар по нехармоничен закон, внася нелинейни изкривявания във веригата, и смущава работата на включените в нея електроуреди.As is clear from the described function of the known device, each of the thyristors is unlocked under the control of the microcontroller at the beginning of its working half-cycle, and at the end it is closed. Like any semiconductor element, the thyristor is characterized by a threshold of minimum unlocking voltage, below which no current flows through it. Unlocking of the thyristor is possible at a voltage of at least 3V between the control electrode and the cathode. As a result, at values of 1 θ of the mains voltage in the range between -3 V and 3 V, the switched capacitive load is not included in the circuit and there is no voltage drop across it. Therefore, the voltage drop across the capacitive load does not change by a sinusoidal 15 law, but by a periodic law that resembles a sinusoidal shape, but has a constant value of 0V at time intervals when the mains voltage is between -3V and 3V. This feature is a significant disadvantage of the known device, as the change of voltage on the capacitive load by a disharmonious law, introduces nonlinear distortions in the circuit, and disrupts the operation of the electrical appliances included in it.

Техническа същност на полезния моделTechnical essence of the utility model

Цел на полезния модел е да се създаде устройство за комутиране на капацитивни товари, чрез което да се минимизират нелинейните 30 изкривявания в системите за компенсация на реактивна енергия, включващи микроконтролер за следене на реактивната енергия и подаване на управляващи импулси за комутация.The purpose of the utility model is to create a device for switching capacitive loads, through which to minimize the nonlinear 30 distortions in the reactive energy compensation systems, including a microcontroller for monitoring reactive energy and supplying control pulses for switching.

Целта е постигната чрез предложеното 3 5 устройство за комутиране на капацитивни товари, което включва бистабилно електромагнитно реле, паралелно свързано с полупроводниково реле, като последователно на двете релета е свързан капацитивния товар, който подлежи на комутиране. 40 Електромагнитното реле (ЕМР) е оборудвано с бобина за включване и бобина за изключване на релето. Единият извод на бобината за включване на ЕМР е свързан с постояннотоково захранване, а другият е свързан с резистор, чиито втори извод е 45 обособен като управляващ вход за включване на ЕМР. Паралелно на бобината за включване на ЕМР, е свързан кондензатор, който образува времезакьснителна верига с резистора. Единият извод на бобината за изключване на ЕМР е свързан с 50 постояннотоковото захранване, а другият е аThe goal is achieved by the proposed 3 5 device for switching capacitive loads, which includes a bistable electromagnetic relay connected in parallel with a semiconductor relay, and in series on both relays is connected the capacitive load, which is subject to switching. 40 The electromagnetic relay (EMR) is equipped with a coil to switch on and a coil to switch off the relay. One terminal of the EMR switching coil is connected to a DC power supply and the other is connected to a resistor, the second terminal of which is 45 as a control input for switching on the EMR. A capacitor is connected in parallel to the EMR coil, which forms a time delay circuit with the resistor. One terminal of the EMR disconnect coil is connected to a 50 DC power supply and the other is a

2066 UI обособен като управляващ вход за изключване на ЕМР. Полупроводниковото реле (111 IP), което също е свързано към постояннотоковото захранване, е изпълнено с един управляващ вход за задействането му по напреженово ниво. Управляващият вход на ППР е свързан през резистор с входа за включване на ЕМР.2066 UI designated as a control input to turn off the EMR. The semiconductor relay (111 IP), which is also connected to the DC power supply, is equipped with a control input for its voltage level operation. The control input of the PPR is connected via a resistor to the input for switching on the EMR.

Функционирането на устройството съгласно полезния модел се осъществява под управление на микроконтролер, който е свързан от една страна с контактния възел между управляващия вход за включване на ЕМР и управляващия вход на ППР, а от друга с управляващия вход за изключване на ЕМР. Описаното устройство позволява комутиране на капацитивния товар чрез еднократен управляващ импулс от микроконтролера, за разлика от известното устройство, при което управляващ импулс е необходим в началото на всеки полупериод. Така е постигнато значително намаляване на възникващите при комутация нелинейни изкривявания. В предложеното устройство, те възникват само при включване и изключване на капацитивния товар, с което негативният ефект върху електрическото оборудване е сведен до минимум.The operation of the device according to the utility model is carried out under the control of a microcontroller, which is connected on the one hand with the contact node between the control input for switching on EMR and the control input of PPR, and on the other with the control input for switching off EMP. The described device allows switching of the capacitive load by a single control pulse from the microcontroller, in contrast to the known device, in which a control pulse is required at the beginning of each half-cycle. Thus, a significant reduction of the nonlinear distortions occurring during switching is achieved. In the proposed device, they occur only when turning on and off the capacitive load, which minimizes the negative effect on electrical equipment.

Пояснение на приложените фигуриExplanation of the attached figures

На фигура 1 е показана принципна схема на устройство за комутиране на капацитивни товари съгласно полезния модел.Figure 1 shows a schematic diagram of a device for switching capacitive loads according to the utility model.

На фигура 2 е показано приложение на устройството съгласно полезния модел в система за компенсация на реактивна енергия, оборудвана с множество комутируеми капацитивни товари.Figure 2 shows an application of the utility model device in a reactive energy compensation system equipped with a plurality of commutative capacitive loads.

Примерно изпълнение на полезния моделExemplary implementation of the utility model

Едно примерно изпълнение на устройството съгласно полезния модел е показано на фигура 1. Устройството включва бистабилно електромагнитно реле 1, паралелно свързано с ППР 2, като последователно на двете релета е свързан капацитивен товар С, който подлежи на комутиране. ЕМР е оборудвано с бобина за включване 1.1 и бобина за изключване 1.2 на релето 1. Единият извод на бобината 1.1 за включване на ЕМР е свързан с постояннотоково захранване Vcc, а другият е свързан с резистор R1, чиито втори извод е обособен като управляващ вход 2.1 за включване на ЕМР. Паралелно на бобината 1.1 за включване на ЕМР, е свързан кондензатор С1, който образува времезакъснителна верига с резистора R1. Единият извод на бобината 1.2 за изключване на ЕМР 1 е свързан с постояннотоковото захранване Vcc, а другият е обособен като управляващ вход 2.2 за изключване на ЕМР 1. Полупроводниковото реле 3, което също е свързано към постояннотоковото захранване Vcc, е изпълнено с един управляващ вход 3.1 за задействането му по напреженово ниво. Управляващият вход 3.1 на ППР 3 е свързан през резистор R2 с входа 2.1 за включване на ЕМР 1.An exemplary embodiment of the device according to the utility model is shown in Figure 1. The device includes a bistable electromagnetic relay 1 connected in parallel with the PPR 2, and a capacitive load C is connected in series to the two relays, which is subject to switching. The EMR is equipped with a switching coil 1.1 and a switching coil 1.2 of the relay 1. One terminal of the EMR switching coil 1.1 is connected to the DC power supply Vcc, and the other is connected to resistor R1, the second terminal of which is a control input 2.1 to include EMR. In parallel with the coil 1.1 for switching on the EMP, a capacitor C1 is connected, which forms a time delay circuit with the resistor R1. One terminal of the coil 1.2 to turn off the EMP 1 is connected to the DC power supply Vcc, and the other is separated as a control input 2.2 to turn off the EMP 1. The semiconductor relay 3, which is also connected to the DC power supply Vcc, is made with a control input 3.1 for its activation by voltage level. The control input 3.1 of the PPR 3 is connected through resistor R2 to the input 2.1 for switching on the EMP 1.

Използване на полезния моделUsing the utility model

Функционирането на устройството съгласно полезния модел се осъществява под управление на микроконтролер, който е свързан от една страна с контактния възел между управляващия вход 2.1 за включване на ЕМР 1 и управляващия вход 3.1 на ППР 2, а от друга с управляващия вход 2.2 за изключване на ЕМР 1. При необходимост от включване на капацитивния товар, устройството действа като първо микроконтролерът подава управляващ импулс, който действа чрез напреженово ниво, към контактния възел между управляващия вход 2.1 и управляващия вход 3.1. Под въздействие на импулса, ППР 2 се задейства, включва капацитивния товар С към веригата, и той започва да се зарежда. В същия момент започва да се зарежда кондензаторът С1 през резистора R1, образуващи времезакъснителна верига, която осигурява определено закъснение за задействане на ЕМР 1, за да може ППР 2 да се отпуши напълно. При достигане на напрежението върху С1 до прага на сработване на ЕМР 1, то се задейства и включва контактите си. Те от своя страна шунтират ППР 2, при което напрежението върху неговите изводи става нула, и то се запушва. В този момент управляващият импулс е приключил и ППР 2 остава запушено, като токът тече само през контактите на ЕМР 1. При необходимост от изключване на капацитивния товар, микроконтролерът подава управляващ импулс на управляващия вход 2.2 за изключване на ЕМР 1, при което бобината 1.1 изключва контактите на релето, а оттам и капацитивния товар.The operation of the device according to the utility model is carried out under the control of a microcontroller, which is connected on the one hand with the contact node between the control input 2.1 to turn on EMR 1 and the control input 3.1 of PPR 2, and on the other with the control input 2.2 to turn off EMP 1. If it is necessary to turn on the capacitive load, the device acts as the first microcontroller sends a control pulse, which acts through a voltage level, to the contact node between the control input 2.1 and the control input 3.1. Under the influence of the pulse, PPR 2 is activated, connects the capacitive load C to the circuit, and it begins to charge. At the same time, the capacitor C1 starts to be charged through the resistor R1, forming a time delay circuit, which provides a certain delay for the activation of the EMP 1, so that the PPR 2 can be completely unlocked. When the voltage on C1 reaches the trigger threshold of EMP 1, it is activated and turns on its contacts. They, in turn, bypass PPR 2, where the voltage on its terminals becomes zero, and it becomes clogged. At this point the control pulse is completed and PPR 2 remains blocked, the current flowing only through the contacts of EMR 1. If it is necessary to turn off the capacitive load, the microcontroller supplies a control pulse to the control input 2.2 to turn off EMR 1, where the coil 1.1 turns off the relay contacts and hence the capacitive load.

Едно приложение на устройството съгласно полезния модел е показано на фигура 2. На фигурата е представена система за компенсация на реактивна енергия, която е оборудвана с множество комутируеми капацитивни товари, всеки от които е свързан с отделно устройство заAn application of the utility model device is shown in Figure 2. The figure shows a reactive energy compensation system which is equipped with a plurality of commutative capacitive loads, each of which is connected to a separate device for

2066 UI комугиране. Към всяка от фазите в трифазна верига е свързан токов трансформатор, съответно към първа фаза - 4.1, към втора фаза - 4.2 и към трета фаза - 4.3. Токовите трансформатори са свързани от друга страна с микроконтролер 5. Последният е свързан също с всяка от фазите. Между всяка фаза и нулата е свързан блок от устройства съгласно полезния модел, всяко от които е свързано с отделен капацитивен товар. Към първа фаза е свързан блок 6.1, към втора фаза - блок 6.2 и към трета фаза - блок 6.3. Трите блока са свързани от друга страна със съответни цифрови управляващи изходи на микроконролера 5.2066 UI switching. A current transformer is connected to each of the phases in a three-phase circuit, respectively to the first phase - 4.1, to the second phase - 4.2 and to the third phase - 4.3. The current transformers are connected on the other hand to microcontroller 5. The latter is also connected to each of the phases. Between each phase and zero is connected a block of devices according to the utility model, each of which is connected to a separate capacitive load. Block 6.1 is connected to the first phase, block 6.2 to the second phase and block 6.3 to the third phase. The three units are connected on the other hand to the respective digital control outputs of the microcontroller 5.

Посредством токовите трансформатори и директната си връзка с трите фази, микроконтролерът 5 следи дефазирането между напрежението и тока. Въз основа на тази информация заложената в него управляваща логика преценява дали е необходима компенсация на реактивната енергия. При необходимост от компенсация, микроконтролерьт5 задейства толкова устройства в съответната фаза, колкото капацитивни товара са необходими за компенсацията. Тъй като отделните капацитивни товари в дадена фаза са свързани паралелно един на друг, общият капацитет; който микроконтролерът 5 ще включи във веригата, е равен на сумата от капацитетите на отделните комутирани товари.By means of the current transformers and its direct connection to the three phases, the microcontroller 5 monitors the phase shift between voltage and current. Based on this information, the control logic embedded in it assesses whether reactive energy compensation is necessary. When compensation is required, the microcontroller5 activates as many devices in the respective phase as the capacitive loads required for the compensation. Since the individual capacitive loads in a given phase are connected in parallel to each other, the total capacity; which the microcontroller 5 will include in the circuit is equal to the sum of the capacities of the individual switched loads.

Описаното приложение на устройството за комугиране на капацитивни товари изяснява ролята на ПИР 2. Тъй като бистабилните електромагнитни релета имат производствени толеранси от няколко процента във времето за тяхното задействане, те не могат да осигурят едновременно включване на множество паралелно свързани капацитивни товари, което е необходимо условие за минимизиране на нелинейните изкривявания. С цел осигуряване на едновременно включване на голям брой товари, 11Г1Р 2 е включено паралелно на силовите контакти на ЕМР 1. Бързодействието на ППР 2 (с време на задействане между 200 и 300 ns) позволява капацитивните товари да бъдат включени точно при преминаване на мрежовото напрежение през 0V. Времезакьснителните вериги, формирани от резисторите R1 и кондензаторите С1, забавят задействането на бистабилните електромагнитни релета, така че при тяхното 5 включване, те са шунтирани от полупроводниковите релета. Това гарантира включване на контактите на бистабилните релета без искрене и удължава експлоатационният им живот.The described application of the capacitive load switching device clarifies the role of PIR 2. Since bistable electromagnetic relays have production tolerances of several percent in the time for their activation, they cannot provide simultaneous inclusion of multiple parallel connected capacitive loads, which is a necessary condition. to minimize nonlinear distortions. In order to ensure simultaneous switching on of a large number of loads, 11G1P 2 is connected in parallel to the power contacts of EMR 1. The speed of PPR 2 (with activation time between 200 and 300 ns) allows the capacitive loads to be switched on exactly when the mains voltage passes. through 0V. The time-limiting circuits formed by the resistors R1 and the capacitors C1 delay the activation of the bistable electromagnetic relays, so that when they are switched on, they are shunted by the semiconductor relays. This ensures that the contacts of the bistable relays are switched on without sparking and prolongs their service life.

Claims

Capacitive load switching device, characterized in that it comprises a bistable electromagnetic relay (1) connected in parallel to a semiconductor relay (2), the electromagnetic relay (1) being equipped with a switching coil (1.1) and a coil for switching off (1.2), where one terminal of the coil (1.1) for switching on the electromagnetic relay (1) is connected to the DC power supply (Vcc) and the other is connected to a resistor (R1), the second terminal of which is separated as a control input (2.1) for switching on the electromagnetic relay (1), as in parallel with the coil (1.1) for switching on the electromagnetic relay (1), a capacitor (C1) is connected, which 25 forms a time delay circuit with the resistor (R1), where one the terminal of the coil (1.2) for switching off the electromagnetic relay (1) is connected to the DC power supply (Vcc), and the other is separated as a control input (2.2) for switching off the electromagnetic relay (1), such as the semiconductor relay (3), which is also connected but to the DC power supply (Vcc), it is made with a control input (3.1) for its activation by voltage level, which is 35 connected through a resistor (R2) to the input (2.1) for switching on the electromagnetic relay (1).

Capacitive load switching device according to claim 1, characterized in that a capacitive or other type of load is connected in series to the two relays (1 and 2) connected in parallel.