CZ25741U1 - Zapojení hybridního omezovače napětí a přepěťové ochrany - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zapojení hybridního omezovače napětí a přepěťové ochrany, spadajícího do oblasti elektrických ochranných zapojení, určených k ochraně osob, přístrojů, strojů a kovových konstrukcí proti nebezpečnému dotykovému napětí, proti přepětí a před účinky bludných elektrických proudů. Technické řešení je založeno na paralelní kombinaci ochranného prvku, realizovaného varistorem, bleskojistkou, či polovodičovým omezovačem, a zkratovacího spínače, svázaného mechanickou vazbou s poháněcím mechanismem, sestávajícím z drátu ze slitiny kovů s tvarovou pamětí a z pružiny. Dvojice, tvořená antiparalelně zapojeným prvním detekčním a ovládacím obvodem a druhým detekčním a ovládacím obvodem, a současně dvojice sériových řetězců s prvním tyristorem a druhým tyristorem a s první diodou a druhou diodou, zabezpečuje automatickou a cyklickou funkci ochrany.

Dosavadní stav techniky

Legislativa v oblasti zařízení pro ochranu proti dotykovému napětí v elektrické trakci a svodiče přepětí pro drážní zařízení zcela změnila požadavky na ochranná zařízení. Lze konstatovat, že dostupná ochranná zařízení nesplňují buď z části, nebo úplně svými parametry její požadavky, popř. jsou technicky příliš komplikovaná a nákladná.

Jedno ze známých technických řešení, označované ve firemní literatuře „průrazka“, je tvořeno vysokovýkonovým svodičem přepětí na bázi plynu, tzv. bleskojistkou. Nevýhodou tohoto technického řešení je, že bleskojistka má veliký rozptyl zapalovacího napětí a proto není možné je použít pro nízké jmenovité napětí zařízení. Takto řešená „průrazka“ zároveň není schopna odolat zatížení vysokým proudem s dlouhou dobou trvání, tak jak to požaduje současná legislativa, dojde k jejímu poškození, čímž se uvede do trvalého zkratu a musí se neprodleně vyměnit.

Jiné známé technické řešení, označované ve firemní literatuře zkratkami „HVL“ nebo „RVL“ používá paralelní spojení varistoru z oxidů kovů a nízkonapěťového polovodičového omezovače, tvořeného antiparalelním zapojením tyristorů. Taková zařízení částečně odstraňují nevýhody předchozího technického řešení. Mají nízký rozptyl zapalovacího napětí a tak je lze využít pro zařízení s nízkým jmenovitým napětím. Dobře reagují na spínací impulzy generované do trakcí, které způsobují vznik rozdílového potenciálu a nebezpečných dotykových napětí. Nevýhodou tohoto technického řešení zůstává neschopnost odolat zatížení vysokým proudem s dlouhou dobou trvání, kterým jsou trvale poškozeny.

Další známé technické řešení, označované ve firemní literatuře „TracFeed“, využívá paralelní spojení varistoru z oxidů kovů a nízkonapěťového polovodičového omezovače, tvořeného tyristorem. Toto zapojení je doplněno o stykač a monitorovací elektronický obvod reagující na velikost aktuálně procházejícího proudu. Při výskytu proudu, který by poškodil polovodičový omezovač, elektronický obvod sepne stykač a obvod zkratuje. Po odeznění nadlimitního proudu se stykač rozpojí. Nevýhodou tohoto řešení je potřeba složité elektroniky a pomocného napájení.

Příkladem technického řešení chráněného užitným vzorem je dokument CZ 22115 „Výkonový polovodičový omezovač přepětí“. Toto technické řešení je založeno na antiparalelním zapojení dvou shodných výkonových polovodičových bloků, obsahujících tyristory, diody, Zenerovy diody, varistory, rezistory a kondenzátory.

Z patentové literatury lze uvést kupř. dokument DE 4217234 „Voltage limiting circuit for current cut=out electronic extinction device - has parallel circuit across extinction capacitor limiting capacitor voltage using nonlinear resistance and GTOrrr thyristor“, jehož zapojení obsahuje tyristor a varistor v provedení SiC.

Dále lze uvést např. dokumenty WO 9623343 “OVERVOLTAGE PROTECTOR“ a WO 2011098359 “SURGE-LIMITING DEVICE FOR DIRECT CURRENT NETWORKS“. Zapojení v nich uvedená obsahují tyristory, varistory a diody.

-1 CZ 25741 Ul

Žádný z výše uvedených dokumentů neobsahuje zkratovací spínač ovládaný poháněcím mechanismem na bázi drátu ze slitiny kovů s tvarovou pamětí, tzv. Shape Memoiy Alloy, ve zkratce SMA, reagujícím na velikost procházejícího proudu.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky do značné míry odstraňuje zapojení hybridního omezovače napětí a přepěťové ochrany, jehož podstata spočívá v tom, že k první připojovací svorce a k druhé připojovací svorce jsou paralelně zapojeny jednak ochranný prvek, dále první detekční a ovládací obvod svou třetí připojovací svorkou a svou čtvrtou připojovací svorkou, dále druhý detekční a ovládací obvod svou čtvrtou připojovací svorkou a svou třetí připojovací svorkou, dále sériový řetězec tvořený prvním tyristorem a nejméně dvěma prvními diodami zapojenými v propustném směru, dále sériový řetězec tvořený druhým tyristorem a nejméně dvěma druhými diodami zapojenými v nepropustném směru, a dále je k nim zapojen zkratovací spínač, svázaný mechanickou vazbou s poháněcím mechanismem, sestávajícím z drátu ze slitiny kovů s tvarovou pamětí a z pružiny, vřazeným mezi druhou připojovací svorku a uzel tvořený vodivým propojením katody prvního tyristoru s anodou druhého tyristoru, přičemž řídicí elektroda prvního tyristoru je spojena s pátou připojovací svorkou prvního detekčního a ovládacího obvodu a řídicí elektroda druhého tyristoru je spojena s pátou připojovací svorkou druhého detekčního a ovládacího obvodu.

První detekční a ovládací obvod a sériový řetězec tvořený prvním tyristorem a nejméně dvěma prvními diodami zapojenými v propustném směru jsou aktivní při kladné půlvlně napětí na první připojovací svorce. Antiparalelně zapojený druhý detekční a ovládací obvod a sériový řetězec tvořený druhým tyristorem a nejméně dvěma druhými diodami zapojenými v nepropustném směru je v takovém případě neaktivní a aktivuje se až při záporné půlvlně napětí na první připojovací svorce. Při ohrožení ochranného prvku nadlimitním proudem sepne příslušný první tyristor resp. druhý tyristor.

Proud protékající přes poháněči mechanismus na bázi drátu ze slitiny kovů s tvarovou pamětí, který má schopnost při průchodu proudu vrátit se do původního tvaru, zajistí sepnutí zkratovacího spínače, kteiý převezme veškerý protékající proud a zabrání tak poškození ochranného prvku a tím ztrátě funkčnosti zapojení hybridního omezovače napětí a přepěťové ochrany. Po odeznění nadlimitního proudu poháněči mechanismus, vybavený pružinou uzpůsobenou k transformaci drátu ze slitiny kovů s tvarovou pamětí do výchozí pozice, zkratovací spínač rozpojí. Takto koncipovaný poháněči mechanismus nepotřebuje žádný pomocný zdroj napájení a má neomezenou životnost.

První detekční a ovládací obvod a druhý detekční a ovládací obvod jsou ve výhodném provedení tvořeny trojpólem, mezi jehož třetí připojovací svorku a čtvrtou připojovací svorku jsou v sérii zapojeny první rezistor, třetí dioda v propustném směru, druhý rezistor a třetí rezistor, k němuž je paralelně připojen napěťově závislý spínač, přičemž mezi třetí připojovací svorku a pátou připojovací svorku je vřazen varistor, a současně je mezi pátou připojovací svorku a katodu třetí diody vřazen kondenzátor.

Výhodou zapojení hybridního omezovače napětí a přepěťové ochrany podle tohoto technického řešení je, že dokáže reagovat jak na velmi rychlé, tj. v řádu mikrosekund, tak i na pomalé, tj. v řádu desítek až stovek mikrosekund, přepěťové impulzy, rovněž tak i na nebezpečné přepětí trvající v řádu desítek minut, např. déle než 30 minut, jejich snížením na bezpečnou úroveň napětí.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení bude blíže osvětleno pomocí výkresů, na kterých znázorňuje obr. 1 principiální schéma zapojení hybridního omezovače napětí a přepěťové ochrany, obsahující první detekční a ovládací obvod pro kladnou půlvlnu střídavého napětí a druhý detekční a ovládací obvod pro zápornou půlvlnu střídavého napětí a zkratovací spínač svázaný mechanickou vazbou s poháněcím mechanismem zkratovacího spínače.

-2CZ 25741 Ul

Obr. 2 znázorňuje principiální schéma zapojení prvního detekčního a ovládacího obvodu a druhého detekčního a ovládacího obvodu, vybaveného napěťově závislým spínačem.

Příklady provedení technického řešení

Zapojení hybridního omezovače napětí a přepěťové ochrany podle obr. 1 spočívá vtom, že k první připojovací svorce lak druhé připojovací svorce 2 jsou paralelně zapojeny jednak ochranný prvek 3, dále první detekční a ovládací obvod 4 svou třetí připojovací svorkou 20 a svou čtvrtou připojovací svorkou 21, dále druhý detekční a ovládací obvod 5 svou čtvrtou připojovací svorkou 21 a svou třetí připojovací svorkou 20, dále sériový řetězec tvořený prvním tyristorem 6 a nejméně dvěma prvními diodami 8 zapojenými v propustném směru, dále sériový řetězec tvořený druhým tyristorem 7 a nejméně dvěma druhými diodami 9 zapojenými v nepropustném směru, a dále je k nim zapojen zkratovací spínač 12, svázaný mechanickou vazbou 11 s poháněcím mechanismem 10, sestávajícím z drátu 23 ze slitiny kovů s tvarovou pamětí a z pružiny 24, vřazeným mezi druhou připojovací svorku 2 a uzel tvořený vodivým propojením katody prvního tyristoru 6 s anodou druhého tyristoru 7, přičemž řídicí elektroda prvního tyristoru 6 je spojena s pátou připojovací svorkou 22 prvního detekčního a ovládacího obvodu 4 a řídicí elektroda druhého tyristoru 7 je spojena s pátou připojovací svorkou 22 druhého detekčního a ovládacího obvodu 5.

Ochranný prvek 3 je realizován buď varistorem, nebo bleskojistkou, nebo polovodičovým omezovačem, nebo paralelní kombinací nejméně dvou těchto elektronických prvků.

Poháněči mechanismus 10 je proveden z drátu 23 ze slitiny kovů s tvarovou pamětí, tzv. Shape Memory Alloy, ve zkratce SMA. Je vybaven pružinou 24, uzpůsobenou k transformaci drátu 23 ze slitiny kovů s tvarovou pamětí do výchozí pozice.

Drát 23 ze slitiny kovů s tvarovou pamětí reaguje na přetížení ochranného prvku 3 nad povolený limit zahřátím na homí transformační teplotu, přičemž se působením vzniklé síly vrátí do původního tvaru. Zkratovací spínač J_2 po nezbytnou dobu zkratuje ochranný prvek 3, čímž jej ochrání proti poškození. Po odeznění přetížení a snížení teploty drátu 23 ze slitiny kovů s tvarovou pamětí pod dolní transformační teplotu, se pomocí pružiny 24, jež je součástí poháněcího mechanismu 10, drát 23 ze slitiny kovů s tvarovou pamětí vrátí do původní pozice a zkratovací spínač 12 se rozpojí.

Výhodné provedení prvního detekčního a ovládacího obvodu 4 a druhého detekčního a ovládacího obvodu 5 je tvořeno trojpólem, mezi jehož třetí připojovací svorku 20 a čtvrtou připojovací svorku 21 jsou v sérii zapojeny první rezistor 13, třetí dioda 14 v propustném směru, druhý rezistor 15 a třetí rezistor 16, k němuž je paralelně připojen napěťově závislý spínač 17, přičemž mezi třetí připojovací svorku 20 a pátou připojovací svorku 22 je vřazen varistor 19, a současně je mezi pátou připojovací svorku 22 a katodu třetí diody 14 vřazen kondenzátor 18.

První detekční a ovládací obvod 4 a druhý detekční a ovládací obvod 5 jsou elektricky identické, v obr. 1 jsou zapojeny antiparalelně k první připojovací svorce lak druhé připojovací svorce 2. Průmyslová využitelnost

Zapojení hybridního omezovače napětí a přepěťové ochrany podle tohoto technického řešení je využitelné všude tam, kde je třeba zajistit ochranu osob, přístrojů, strojů a kovových konstrukcí proti nebezpečnému dotykovému napětí, proti přepětí a ochranu před působením bludných elektrických proudů. Oproti známým zapojením poháněči mechanismus svázaný mechanickou vazbou se zkratovacím spínačem nepotřebuje žádný pomocný zdroj napájení a má neomezenou životnost.

-3ΜΜΜ

CZ 25741 Ul

Claims (2)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   í. Zapojení hybridního omezovače napětí a přepěťové ochrany, vyznačující se tím, že k první připojovací svorce (1) a k druhé připojovací svorce (2) jsou paralelně zapojeny jednak ochranný prvek (3), dále první detekční a ovládací obvod (4) svou třetí připojovací svorkou (20) a svou čtvrtou připojovací svorkou (21), dále druhý detekční a ovládací obvod (5) svou čtvrtou připojovací svorkou (21) a svou třetí připojovací svorkou (20), dále sériový řetězec tvořený prvním tyristorem (6) a nejméně dvěma prvními diodami (8) zapojenými v propustném směru, dále sériový řetězec tvořený druhým tyristorem (7) a nejméně dvěma druhými diodami (9) zapojenými v nepropustném směru, a dále je k nim zapojen zkratovací spínač (12), svázaný mechanickou vazbou (11) s poháněcím mechanismem (10), sestávajícím z drátu (23) ze slitiny kovů s tvarovou pamětí a z pružiny (24), vřazeným mezi druhou připojovací svorku (2) a uzel tvořený vodivým propojením katody prvního tyristoru (6) s anodou druhého tyristoru (7), přičemž řídicí elektroda prvního tyristoru (6) je spojena s pátou připojovací svorkou (22) prvního detekčního a ovládacího obvodu (4) a řídicí elektroda druhého tyristoru (7) je spojena s pátou připojovací svorkou (22) druhého detekčního a ovládacího obvodu (5).
2. 2. Zapojení hybridního omezovače napětí a přepěťové ochrany podle nároku 1, vyznačující se tím, že ve výhodném provedení jsou první detekční a ovládací obvod (4) a druhý detekční a ovládací obvod (5) tvořeny trojpólem, mezi jehož třetí připojovací svorku (20) a čtvrtou připojovací svorku (21) jsou v sérii zapojeny první rezistor (13), třetí dioda (14) v propustném směru, druhý rezistor (15) a třetí rezistor (16), k němuž je paralelně připojen napěťově závislý spínač (17), přičemž mezi třetí připojovací svorku (20) a pátou připojovací svorku (22) je vřazen varistor (19), a současně je mezi pátou připojovací svorku (22) a katodu třetí diody (14) vřazen kondenzátor (18).