RU2074472C1

RU2074472C1 - Overvoltage protective gear for ac mains loads

Info

Publication number: RU2074472C1
Application number: RU95112856A
Authority: RU
Inventors: Виталий Николаевич Кресяк
Original assignee: Виталий Николаевич Кресяк
Priority date: 1995-07-20
Filing date: 1995-07-20
Publication date: 1997-02-27
Also published as: RU95112856A

Abstract

FIELD: electrical engineering; AC supply mains where surge voltages may appear under normal and emergency conditions. SUBSTANCE: protective gear has threshold element connected to final element that functions at the same time as protective gear. Final element has diode bridge with power thyristor whose control circuit incorporates field-effect transistor. Drain of the latter is connected to thyristor anode, source, to gate electrode, and gate, through voltage divider built around resistors, to supply voltage rectifier built up of diode with storage capacitor and threshold element connected in parallel between transistor gate and thyristor anode. EFFECT: improved reliability and overvoltage capacity, reduced power loss at loads, surge-voltage protection during initial switching-on. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим сетям переменного тока, в которых могут возникать перенапряжения при нормальном режиме работы системы электроснабжения или в результате аварии, и используется для защиты потребителя от перенапряжений. The invention relates to electrical engineering, in particular to AC electric networks, in which overvoltages can occur during normal operation of the power supply system or as a result of an accident, and is used to protect the consumer from overvoltages.

Известны устройства защиты потребителя от перенапряжений, содержащие пороговый элемент и подключенные к нему исполнительный орган, выполненный на двух встречно-параллельно соединенных тиристорах, которые шунтируют потребителя в случае перенапряжения, а в питающей сети наступает режим короткого замыкания, в результате чего срабатывают аппараты защиты от короткого замыкания (авт. св. СССР N 630695). Known devices for protecting consumers from overvoltages, containing a threshold element and an actuator connected to it, made on two counter-parallel connected thyristors that bypass the consumer in case of overvoltage, and a short circuit occurs in the mains, as a result of which short-circuit protection devices are triggered faults (ed. St. USSR N 630695).

Для восстановления работоспособности устройства необходимо заменять предохранители или включать автомат защиты. В результате этого происходит значительная потеря информации. To restore the functionality of the device, it is necessary to replace the fuses or turn on the circuit breaker. As a result of this, a significant loss of information occurs.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является устройство для защиты электропотребителя от перенапряжений, содержащее пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, выполненный из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, имеющее трансформатор, согласующие тиристоры и защитные встречно-параллельно соединенные тиристоры, включенные последовательно с потребителем электроэнергии. The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed device is a device for protecting the consumer from overvoltage, containing a threshold element and an actuator connected to it, made of two counter-parallel connected thyristors, having a transformer, matching thyristors and protective counter-parallel connected thyristors connected in series with the consumer of electricity.

При возрастании напряжения в питающей сети до предельной величины с выхода порогового элемента выдается сигнал на управляющие электроды тиристоров, которые отпираются и шунтируют вторичную обмотку трансформатора. При этом уменьшается напряжение, поступающее на управляющие электроды согласующих тиристоров, которые запираются, а, следовательно, запираются и защитные тиристоры, а напряжение в питающей сети потребителя снижается до нуля. После снижения питающего напряжения работоспособность потребителя автоматически восстанавливается. When the voltage in the supply network increases to a limiting value, a signal is output from the output of the threshold element to the control electrodes of the thyristors, which are unlocked and bypass the secondary winding of the transformer. This reduces the voltage supplied to the control electrodes of the matching thyristors, which are locked, and, consequently, the protective thyristors are locked, and the voltage in the consumer’s mains is reduced to zero. After reducing the supply voltage, the consumer’s performance is automatically restored.

Недостатки такого устройства наличие трансформатора, работающего при срабатывании защиты в режиме максимальной нагрузки, что снижает надежность и ограничивает возможность работы устройства при многократном превышении напряжения питающей сети. Питание цепей управления защитных тиристоров пониженным напряжением сети от трансформатора снижает скорость нарастания тока на управляющих электродах, что приводит к некоторой задержке включения тиристоров в каждом полупериоде напряжения сети, а это приводит к потере мощности на потребителе. При первоначальном подключении к сети с повышенным напряжением к потребителю поступает как минимум один полупериод повышенного напряжения сети, т. к. пороговый элемент срабатывает при достижении заданной величины напряжения, в то время как защитные тиристоры уже открыты управляющим током, и это может привести к выходу из строя потребителя при значительных перенапряжениях сети. The disadvantages of such a device are the presence of a transformer that operates when the protection is activated in the maximum load mode, which reduces reliability and limits the ability of the device to operate when the voltage of the supply network is repeatedly exceeded. The supply of control circuits of protective thyristors with a reduced network voltage from a transformer reduces the rate of rise of current at the control electrodes, which leads to a certain delay in the thyristors being turned on in each half-period of the network voltage, and this leads to a loss of power at the consumer. When initially connected to a network with an increased voltage, at least one half-period of an increased network voltage is supplied to the consumer, because the threshold element is triggered when the specified voltage is reached, while the protective thyristors are already open by the control current, and this can lead to exit building a consumer with significant network overvoltages.

Техническая задача изобретения является повышение надежности, перегрузочной способности по напряжению, снижение потерь мощности на потребителе и защита его при первоначальном подключении к сети с повышенным напряжением. The technical task of the invention is to increase reliability, overload capacity in voltage, reduce power loss at the consumer and protect it when initially connected to a network with high voltage.

Задача решается тем, что в устройстве для защиты потребителя от перенапряжений в сетях переменного тока, содержащем пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, новым является то, что исполнительный орган служит одновременно защитным устройством и состоит из диодного моста с силовым тиристором, в цепь управления которого включен полевой транзистор, сток которого соединен с анодом тиристора, а исток с управляющим электродом, а затвор через делитель напряжения на резисторах подключен к выпрямителю сетевого напряжения на диоде, при этом пороговый элемент и накопительный конденсатор включены параллельно между затвором транзистора и катодом тиристора. The problem is solved in that in the device for protecting the consumer from overvoltage in alternating current networks containing a threshold element and an actuator connected to it, it is new that the actuator serves both as a protective device and consists of a diode bridge with a power thyristor, in a control circuit which includes a field effect transistor, the drain of which is connected to the thyristor anode, and the source with a control electrode, and the gate through a voltage divider on resistors is connected to the mains voltage rectifier on diode, while the threshold element and the storage capacitor are connected in parallel between the gate of the transistor and the cathode of the thyristor.

Достигается повышенная надежность и перегрузочная способность по напряжению из-за отсутствия трансформатора, работающего в режиме максимальной нагрузки при повышенном напряжении сети, минимальные потери мощности на потребителе за счет высокой скорости нарастания тока управления силового тиристора путем приложения полного выпрямленного напряжения сети между его катодом и анодом. Защита от перенапряжения при первоначальном подключении к сети с повышенным напряжением осуществляется за счет превышения времени заряда накопительного конденсатора над временем открытия тиристора на каждом полупериоде сетевого напряжения. Achieved increased reliability and overload capacity in voltage due to the lack of a transformer operating in maximum load mode with increased mains voltage, minimal power loss at the consumer due to the high slew rate of the power thyristor control current by applying a full rectified mains voltage between its cathode and anode. Overvoltage protection during initial connection to a network with an increased voltage is carried out by exceeding the accumulator capacitor charge time over the opening time of the thyristor on each half-period of the mains voltage.

На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого устройства. The drawing shows an electrical diagram of the proposed device.

Устройство для защиты потребителя от перенапряжений в сетях переменного тока содержит потребитель электроэнергии 1, исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, состоящий из диодного моста с диодами 2, 3, 4, 5 и силовым тириpистоpом 6, в цепь управления которого включен мощный высоковольтный полевой транзистор 7, сток которого соединен с анодом тиристора, а исток с управляющим электродом. Затвор этого транзистора через делитель напряжения на резисторах 8 и 9 подключен к выпрямителю сетевого напряжения на диоде 10. Накопительный конденсатор 11 и пороговый элемент 12 включены параллельно между затвором транзистора 7 и катодом тиристора 6. The device for protecting the consumer from overvoltage in AC networks contains an electricity consumer 1, an executive body, which is also a protective device, consisting of a diode bridge with diodes 2, 3, 4, 5 and a power thyristor 6, in the control circuit of which a powerful high-voltage field-effect transistor is included 7, the drain of which is connected to the anode of the thyristor, and the source to the control electrode. The gate of this transistor through a voltage divider on resistors 8 and 9 is connected to the mains voltage rectifier on the diode 10. The storage capacitor 11 and the threshold element 12 are connected in parallel between the gate of the transistor 7 and the cathode of the thyristor 6.

Устройство работает следующим образом: при напряжении сети, меньшем предельной величины, силовой тиристор 6 открыт в течение каждого полупериода за счет тока управления, протекающего через постоянно открытый полевой транзистор 7 и управляющий электрод, при возникновении выпрямленного диодным мостом 2, 3, 4, 5 положительного напряжения сети, приложенного между катодом и анодом тиристора, и потребитель 1 подключен к питающей сети, так как положительный полупериод проходит через диод 2, тиристор 6 и диод 5, а отрицательный через диод 4, тиристор 6 и диод 3. При этом скорость нарастания тока управления максимальна, так как до открытия тиристора 6 между анодом и катодом вначале каждого полупериода приложено полное напряжение сети, а сопротивления катод-управляющий электрод тиристора 6 и перехода сток-исток полевого транзистора 7 в открытом состоянии малы, что приводит к минимуму временя включения тиристора в начале каждого полупериода сети, а следовательно, к минимальным потерям мощности на потребителе, близким к теоретически возможным. При открытии тиристора 6 ток управления падает практически до нуля, так как напряжение между катодом и анодом очень мало. Полевой транзистор 7 постоянно открыт положительным напряжением на накопительном конденсаторе 11, заряженном через делитель напряжения на резисторах 8 и 9 частью выпрямленного диодом 10 напряжения сети. При возрастании напряжения сети выше предельного пороговый элемент 12 разряжает накопительный конденсатор 11 до нуля, что приводит к закрытию транзистора 7 и силового тиристора 6, и потребитель 1 отключается от питающей сети, при этом предельное напряжение может многократно превышать номинальное напряжение сети и ограничено напряжением пробоя силового тиристора 6, полевого транзистора 7 и диодов 2, 3, 4, 5. The device operates as follows: when the mains voltage is less than the limiting value, the power thyristor 6 is open during each half-cycle due to the control current flowing through the constantly open field-effect transistor 7 and the control electrode, if a positive rectified diode bridge 2, 3, 4, 5 appears the voltage of the network applied between the cathode and anode of the thyristor, and the consumer 1 is connected to the supply network, since the positive half-cycle passes through diode 2, thyristor 6 and diode 5, and the negative through diode 4, thyristor 6 diode 3. In this case, the slew rate of the control current is maximum, since before the opening of the thyristor 6 between the anode and the cathode, at the beginning of each half-cycle, the full network voltage is applied, and the resistance of the cathode-control electrode of the thyristor 6 and the drain-source transition of the field-effect transistor 7 in the open state are small, which minimizes the turn-on time of the thyristor at the beginning of each half-cycle of the network, and, consequently, to minimal power losses at the consumer, which are close to theoretically possible. When thyristor 6 is opened, the control current drops to almost zero, since the voltage between the cathode and anode is very small. The field effect transistor 7 is constantly open by a positive voltage on the storage capacitor 11, charged through a voltage divider on the resistors 8 and 9, part of the network voltage rectified by the diode 10. When the network voltage increases above the limit, the threshold element 12 discharges the storage capacitor 11 to zero, which leads to the closure of the transistor 7 and the power thyristor 6, and the consumer 1 is disconnected from the mains, while the maximum voltage can be many times the rated voltage of the network and limited by the breakdown voltage of the power thyristor 6, field effect transistor 7 and diodes 2, 3, 4, 5.

При первоначальном подключении к сети с повышенным напряжением силовой тиристор 6 закрыт, так как время заряда накопительного конденсатора 11, а следовательно, и открытия полевого транзистора 7, многократно превышает время срабатывания порогового элемента 12, при этом пороговый элемент 12 разряжает конденсатор 11, и потребитель 1 защищен от перенапряжения. When initially connected to a network with an increased voltage, the power thyristor 6 is closed, since the charge time of the storage capacitor 11, and therefore the opening of the field effect transistor 7, is many times longer than the response time of the threshold element 12, while the threshold element 12 discharges the capacitor 11, and the consumer 1 surge protected.

При использовании данного устройства достигается повышенная надежность и перегрузочная способность по напряжению, минимальные потери мощности на потребителе (до 1% в опытных образцах), защита от перенапряжения при первоначальном включении. When using this device, increased reliability and overload capacity in terms of voltage, minimal power loss at the consumer (up to 1% in prototypes), and overvoltage protection upon initial start-up are achieved.

Claims

A device for protecting the consumer from overvoltage in AC networks, containing a threshold element and an actuator connected to it, characterized in that the actuator, which is also a protective device, consists of a diode bridge with a power thyristor, the control circuit of which includes a field effect transistor, drain which is connected to the thyristor anode, the source is with a control electrode, and the gate of this transistor is connected through a voltage divider on resistors to a network voltage rectifier on a diode with a storage capacitor and a threshold element connected in parallel between the gate of the transistor and the cathode of the thyristor.