PL217372B1 - Układ ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, zapewniający przeciwwybuchowość obwodów elektrycznych funkcjonujących w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, na przykład w obecności gazów lub aerozoli cieczy palnych, zwłaszcza w obiektach przemysłu węglowego i petrochemicznego.

Znana jest, na przykład z opisu patentowego PL 106542, bariera ochronna w postaci czwórnika zaopatrzonego w zaciski wejściowe dla przyłączania nie- iskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciski wyjściowe dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego. Pomiędzy zaciski wejściowe i wyjściowe są włączone rezystory ograniczające prąd zwarcia i diody Zenera ograniczające wzrost napięcia na wejściu chronionego obwodu elektrycznego.

Rozwiązanie to cechuje się niską sprawnością elektryczną i niską wartością użytecznej mocy iskrobezpiecznej, która może być przekazana do obciążenia.

Znana jest również, na przykład z opisu patentowego PL 180574, bariera ochronna w postaci czwórnika zaopatrzonego w zaciski wejściowe dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciski wyjściowe dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, pomiędzy które jest włączona dioda Zenera. Pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy i pierwszy zacisk wyjściowy jest włączony rezystor pomiarowy, którego jeden koniec jest połączony z emiterem pierwszego p-n-p tranzystora, którego baza jest dołączona do kolektora drugiego n-p-n tranzystora. Kolektor pierwszego tranzystora związany jest z bazą drugiego tranzystora, którego emiter jest połączony z bramką tyrystora o anodzie dołączonej do dodatniego zacisku wejściowego oraz do katody diody prostowniczej. Katoda tyrystora związana jest z anodą diody prostowniczej, z ujemnym zaciskiem wejściowym i drugim końcem rezystora pomiarowego.

Wadą tego rozwiązania jest niska niezawodność układu i niespełnienie wymagań normy PN-EN-60079-11 - Urządzenia elektryczne w przestrzeniach zagrożonych wybuchem. Wykonanie iskrobezpieczne „i”. Obecność dwóch niezabezpieczonych tranzystorów jest sprzeczna z wymaganiami tej normy, ponieważ te tranzystory nie mogą być zakwalifikowane jako elementy nieuszkadzalne. Ponadto według wymienionej normy wymagane jest potrajanie bariery ochronnej, co w tym przypadku związane jest z obniżeniem wartości iskrobezpiecznej mocy przekazywanej do obciążenia oraz ze zmniejszeniem stabilności wyjściowego napięcia. Istotną wadą takiego rozwiązania jest również przegrzewanie tyrystora w stanie zwarcia.

Znana jest także, na przykład z opisu patentowego nr PL 203051, bariera ochronna z nieliniową charakterystyką wyjściową, wykonana w postaci czwórnika z zaciskami wejściowymi dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciskami wyjściowymi dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego. Pomiędzy pierwszy zacisk wejściowy i pierwszy zacisk wyjściowy włączony jest rezystor pomiarowy. Drugi zacisk wejściowy poprzez bimetalowy bezpiecznik termiczny jest związany z anodami trzech tyrystorów, katodami trzech diod Zenera i z drugim zaciskiem wyjściowym. Katody wymienionych tyrystorów są wspólnie połączone z pierwszym zaciskiem wejściowym, a bramka pierwszego tyrystora jest związana z anodą pierwszej diody Zenera i poprzez pierwszy rezystor z pierwszym zaciskiem wyjściowym, bramka drugiego tyrystora jest związana z anodą drugiej diody Zenera i poprzez drugi rezystor z pierwszym zaciskiem wyjściowym, natomiast bramka trzeciego tyrystora jest związana z anodą trzeciej diody Zenera i poprzez trzeci rezystor z pierwszym zaciskiem wyjściowym.

Wadą takiego rozwiązania jest niska skuteczność przy zapewnianiu iskrobezpieczeństwa w trybie komutacji awaryjnej typu „rozwarcia” w chronionym obwodzie elektrycznym.

Ponadto znany jest, na przykład z opisu patentowego PL 203549, elektroniczny układ ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, w którym dla zwiększenia skuteczności zabezpieczenia przeciwiskrzeniowego w trybie awaryjnego rozwarcia powstałego w obwodzie chronionym, wprowadzono zamiast rezystora pomiarowego element pomiarowy w postaci zintegrowanej indukcyjności i rezystancji.

W obwodach indukcyjnych takie rozwiązanie również nie zapewnia dostatecznej skuteczności pod względem minimalizacji energii wyładowania elektrycznego w punkcie komutacji awaryjnej typu „rozwarcie”, wskutek wzrostu szybkości zmiany pola magnetycznego w obwodzie RLC spowodowanego zadziałaniem jednego z kluczy tyrystorowych.

Z kolei znany jest, na przykład z opisu zgłoszonego w Polsce wynalazku P 380349, tyrystorowy układ ochronny obwodu iskrobezpiecznego, wykonany w postaci czwórnika z zaciskami wejściowymi

PL 217 372 B1 dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciskami wyjściowymi dla przyłączenia iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, w którym pomiędzy pierwszym zaciskiem wejściowym i drugim zaciskiem wyjściowym jest włączony element pomiarowy, a drugi zacisk wejściowy poprzez bezpiecznik termiczny związany jest z anodami trzech tyrystorów. Katody tyrystorów są połączone z pierwszym zaciskiem wejściowym, a bramki sterujące są związane odrębnie poprzez rezystory z połączonymi ze sobą katodami trzech diod Zenera.

Wadą takiego rozwiązania jest niska czułość układu na awaryjne zmiany prądu w obciążeniu wskutek obecności rezystora w obwodzie bramki każdego z tyrystorów oraz podwyższona czułość układu na krótkotrwałe skoki napięcia na zaciskach wejściowych powstałe wskutek różnorakich zakłóceń.

Wymienione wady powyżej przytoczonych rozwiązań częściowo są wyeliminowany w barierze iskrobezpieczeństwa z nieliniową charakterystyką prądowo-napięciową, według opisu zgłoszonego w Polsce wynalazku P 388049, w której pierwszy zacisk wejściowy jest odrębnie związany przez równolegle połączone pierwszy kondensator i czwarty rezystor z anodą pierwszej diody Zenera, przez równolegle połączone drugi kondensator i piąty rezystor z anodą drugiej diody Zenera oraz poprzez równolegle połączone trzeci kondensator i szósty rezystor z anodą trzeciej diody Zenera, a pierwszy zacisk wyjściowy związany jest poprzez pierwszą diodę prostowniczą z bramką pierwszego tyrystora, poprzez drugą diodę prostowniczą z bramką drugiego tyrystora oraz poprzez trzecią diodę prostowniczą z bramką trzeciego tyrystora.

Wspólną wadą wyżej wymienionych rozwiązań zostaje zależność napięcia wyjściowego od prądu obciążenia. Ponieważ kryterium zadziałania dowolnego klucza dokonującego odcięcia dopływu prądu do obciążenia, w chwili powstania przeciążenia układu ochronnego, drogą zwarcia zacisków wyjściowych, jest wartość spadku napięcia na rezystorze pomiarowym ( zwykle to około 0,7 V), to przy zmianie natężenia prądu obciążenia od zera do wartości dopuszczalnej wartość napięcia wyjściowego zmniejsza się od wartości napięcia biegu jałowego U do wartości napięcia U. - 0,7. Taka zmiana wartości napięcia na wejściu obwodu iskrobezpiecznego, zwłaszcza przy niskonapięciowym zasilaniu tego obwodu, wymaga stosowania specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych w odbiornikach zasilania celem zapewnienia inwariantności do zmian napięcia zasilania.

W układzie ochronnym iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, wykonanym w postaci czwórnika z zaciskami wejściowymi dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektryczn ego i zaciskami wyjściowymi dla przyłączenia iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, w którym pierwszy zacisk wejściowy o dodatniej polaryzacji poprzez bezpiecznik topikowy i element indukcyjny związany jest z pierwszym zaciskiem wyjściowym, drugi zacisk wejściowy o ujemnej polaryzacji poprzez rezystor pomiarowy związany jest z drugim zaciskiem wyjściowym, a pierwszy zacisk wyjściowy i drugi zacisk wejściowy są zbocznikowane przez trzy identyczne równolegle połączone zwierające klucze elektroniczne, stanowiące wspólny element wykonawczy dla nadprądowego i nadnapięciowego zabezpieczenia, według wynalazku, wyjście elementu indukcyjnego związane jest z pierwszym wejściem regulatora napięcia, drugi zacisk wejściowy układu ochronnego związany jest z drugim wejściem wymienionego regulatora napięcia, którego pierwsze wyjście jest związane z pierwszym zaciskiem wyjściowym układu ochronnego, a drugie wyjście poprzez szeregowo połączone pierwszy rezystor pomiarowy i drugi rezystor pomiarowy jest związane z drugim zaciskiem wyjściowym układu ochronnego, przy czym wspólny punkt łączenia wymienionych rezystorów pomiarowych jest związany z wejściem sterującym regulatora napięcia.

Układ ochronny według wynalazku zapewnia stabilizację napięcia na wejściu iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładowym wykonaniu na rysunku, przedstawiającym schemat funkcjonalny układu ochronnego.

Układ ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, wykonany w postaci czwórnika, zawiera zaciski wejściowe 1, 2 dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciski wyjściowe 3, 4 dla przyłączania iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego. Pierwszy zacisk wejściowy 1 o dodatniej polaryzacji, poprzez bezpiecznik topikowy 5 i element indukcyjny 6 związany jest z pierwszym wejściem regulatora napięcia 7, którego drugie wejście jest związane z drugim zaciskiem wejściowym 2, a pierwsze wyjście związane jest z pierwszym wejściem 3 układu ochronnego. Drugie wyjście regulatora napięcia 7 poprzez szeregowo połączone pierwszy rezystor pomiarowy 11 i drugi rezystor pomiarowy 12 związane jest z drugim wyjściem 4 układu ochronnego, które jest związane z wejściami sterującymi trzech identycznych równoległe połączonych kluczy elektronicznych 8, 9 i 10,

PL 217 372 B1 bocznikujących zacisk wyjściowy 3 układu ochronnego i wspólny punkt łączenia wymienionych rezystorów pomiarowych 11 i 12, który z kolei jest związany z wejściem sterującym regulatora napięcia 7.

Układ ochronny obwodu iskrobezpiecznego zasilania działa w sposób następujący. W stanie normalnej pracy klucze 8, 9 i 10 znajdują się w stanie rozwarcia. W przypadku, kiedy chroniony iskrobezpieczny obwód elektryczny posiada parametry znamionowe, na zaciskach wyjściowych 3 i 4 układu ochronnego występuje napięcie równe wartości ustalonej. Przy powstaniu przeciążenia lub zwarcia w chronionym obwodzie wyjściowym, wskutek wzrostu spadku napięcia na drugim rezystorze pomiarowym 12 powyżej 0,7 V, zostaje wysterowany jeden z wymienionych kluczy, 8, 9 lub 10, wskutek czego następuje natychmiastowe zwarcie dodatniego i ujemnego biegunów zasilania i tym samym odcięcie dopływu energii elektrycznej do obwodu chronionego. Drugi rezystor pomiarowy 12 kompensuje zmiany wartości napięcia na zaciskach wyjściowych 3, 4 układu ochronnego w zakresie zmian prądu obciążenia od zera do wartości dopuszczalnej, bez pogorszenia właściwości ochronnych. Najkorzystniej aby wartości obu rezystorów pomiarowych 11 i 12 były identyczne. Tak więc, przy zmianie wartości prądu obciążenia od zera do wartości dopuszczalnej spadki napięcia na pierwszym i drugim rezystorze pomiarowym 11 i 12 będą równe w zakresie 0 * 0,7 V. Na przykład, jeżeli spadek napięcia na obu rezystorach pomiarowych 11 i 12 będzie wynosił Δ V, to na wyjściu regulatora napięcia 7 napięcie wzrośnie o 2·Δ V, stabilizując tym samym jego wartość na wyjściu układu ochronnego.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ ochronny iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, wykonany w postaci czwórnika z zaciskami wejściowymi dla przyłączania nieiskrobezpiecznej części obwodu elektrycznego i zaciskami wyjściowymi dla przyłączenia iskrobezpiecznego obwodu elektrycznego, w którym pierwszy zacisk wejściowy o dodatniej polaryzacji poprzez bezpiecznik topikowy i element indukcyjny związany jest z pierwszym zaciskiem wyjściowym, drugi zacisk wejściowy o ujemnej polaryzacji poprzez rezystor pomiarowy związany jest z drugim zaciskiem wyjściowym, a pierwszy zacisk wyjściowy i drugi zacisk wejściowy są zbocznikowane przez trzy identyczne równolegle połączone zwierające klucze elektroniczne, stanowiące wspólny element wykonawczy dla nadprądowego i nadnapięciowego zabezpieczenia, znamienny tym, że wyjście elementu indukcyjnego (6) związane jest z pierwszym wejściem regulatora napięcia (7), drugi zacisk wejściowy (2) związany jest z drugim wejściem regulatora napięcia (7), którego pierwsze wyjście jest związane z pierwszym zaciskiem wyjściowym (3), a drugie wyjście poprzez szeregowo połączone pierwszy rezystor pomiarowy (11) i drugi rezystor pomiarowy (12) jest związane z drugim zaciskiem wyjściowym (4), przy czym wspólny punkt łączenia wymienionych rezystorów pomiarowych (11 i 12) jest związany z wejściem sterującym regulatora napięcia (7).