RU2113046C1

RU2113046C1 - Device for protecting loads against abnormal ac supply voltage

Info

Publication number: RU2113046C1
Application number: RU96121543A
Authority: RU
Inventors: Виталий Николаевич Кресяк; Сергей Витальевич Кресяк
Original assignee: Виталий Николаевич Кресяк; Сергей Витальевич Кресяк
Priority date: 1996-10-24
Filing date: 1996-10-24
Publication date: 1998-06-10

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: device has threshold element connected to final element. The latter also functions as protective gear and has triac whose gate electrode is connected to anode through diode bridge with field-effect transistor connected across diagonally opposite terminals of bridge; transistor gate is connected to collector of switch stage transistor incorporating series-connected resistor and voltage regulator diode in base circuit which are connected to source of field-effect transistor whose emitter is connected to storage capacitor and to two threshold elements; one of them is high-voltage threshold element and other, inverting low-voltage threshold element, both interconnected in parallel and connected through resistor to supply voltage rectifier built around diode. EFFECT: improved reliability, overcurrent and overvoltage capacity, reduced power loss across load, provision for abnormal-voltage protection during starting period. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим сетям переменного тока, в которых могут возникать ненормированные напряжения при нормальном режиме работы системы электроснабжения или в результате аварии, и используется для защитного отключения потребителя при отклонении напряжения сверх установленных значений. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to AC electric networks, in which abnormal voltages can occur during normal operation of the power supply system or as a result of an accident, and is used for protective shutdown of the consumer when the voltage deviates above the set values.

Известны устройства защиты потребителя от перенапряжений, содержащие пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, выполненный из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, которые шунтируют потребителя в случае перенапряжения, а в питающей сети наступает режим короткого замыкания, в результате чего срабатывают аппараты защиты от короткого замыкания [1]. Known devices for protecting consumers from overvoltages, containing a threshold element and an actuator connected to it, made of 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 closures [1].

Однако для восстановления работоспособности устройства необходимо заменять предохранители или включать аппарат защиты. В результате этого происходит значительная потеря информации. However, to restore the device’s performance, it is necessary to replace the fuses or turn on the protection device. 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 [2]. 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. 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 [2]. When the voltage in the supply network increases to the maximum 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 повышении напряжения питающей сети. При первоначальном подключении к сети с повышенным напряжением к потребителю поступает как минимум один полупериод повышенного напряжения сети, так как 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. 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. Кроме того, отсутствует защита от пониженного напряжения сети, что может привести к выходу из строя потребителя, имеющего в своем составе устройство со значительным пусковым моментом, например, мотор-компрессор. 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 work with a multiple increase in the supply voltage. Upon initial connection to a network with an increased voltage, at least one half-period of an increased voltage of the network is supplied to the consumer, since 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 consumer failure with significant network overvoltages. 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. In addition, there is no protection against low voltage, which can lead to failure of the consumer, which incorporates a device with a significant starting torque, for example, a motor-compressor.

Технической задачей изобретения является повышение надежности, перегрузочной способности по напряжению, снижение потерь мощности на потребителе и защита его от повышенного или пониженного напряжения сети, в том числе при первоначальном подключении к сети с ненормированным напряжением. An object of the invention is to increase reliability, overload capacity in voltage, reduce power losses at the consumer and protect it from high or low voltage, including the initial connection to the network with abnormal voltage.

Техническая задача решается тем, что в устройстве для защиты потребителя от ненормированного напряжения в сетях переменного тока, содержащем пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, новым является то, что оно снабжено вторым пороговым элементом, исполнительным органом, состоящим из силового симистора, управляющий электрод которого соединен с анодом через диодный мост с полевым транзистором, включенным в диагональ моста, затвор которого подключен к коллектору транзистора ключевого каскада, имеющем в цепи базы последовательно включенные резистор и стабилитрон, соединенные с истоком полевого транзистора, а его эмиттер подключен к накопительному конденсатору и к вышеупомянутым обоим пороговым элементам верхнего предела напряжения и инвертирующего порогового элемента нижнего предела напряжения включенными параллельно и соединенными через резистор с выпрямителем сетевого напряжения на диоде. The technical problem is solved in that in the device for protecting the consumer from abnormal voltage in AC networks containing a threshold element and an actuator connected to it, which is simultaneously a protective device, new is that it is equipped with a second threshold element, an actuator consisting of a power triac, the control electrode of which is connected to the anode through a diode bridge with a field effect transistor included in the diagonal of the bridge, the gate of which is connected to the collector of the transistor The key stage cascade has a resistor and a zener diode connected in series to the base of the field-effect transistor, and its emitter is connected to a storage capacitor and to the above threshold elements of the upper voltage limit and the inverting threshold element of the lower voltage limit connected in parallel and connected through the resistor to rectifier mains voltage on the diode.

Проведенные патентные исследования подтверждают новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость заявленного решения. При этом достигается повышенная надежность и перегрузочная способность по напряжению из-за отсутствия трансформатора, работающего в режиме максимальной нагрузки при повышенном напряжении сети, защита потребителя как от повышенного, так и от пониженного напряжений, потери мощности на потребителе минимальны за счет высокой скорости нарастания тока управления силового симистора путем приложения полного напряжения сети между его анодом и управляющим электродом. Кроме того, защита от ненормированного напряжения при первоначальном подключении к сети с повышенным или пониженным напряжением осуществляется за счет превышения времени заряда накопительного конденсатора над временем срабатывания пороговых элементов. The conducted patent studies confirm the novelty, inventive step and industrial applicability of the claimed solution. At the same time, increased reliability and overload capacity in voltage is achieved due to the lack of a transformer operating in maximum load mode with increased mains voltage, protecting the consumer from both high and low voltage, power loss at the consumer is minimal due to the high slew rate of the control current power triac by applying the full voltage of the network between its anode and the control electrode. In addition, protection against abnormal voltage during the initial connection to the network with increased or reduced voltage is carried out due to the excess charge time of the storage capacitor over the response time of the threshold elements.

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

Устройство для защиты потребителя от ненормированного напряжения в сетях переменного тока содержит потребитель электроэнергии 1, исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, состоящий из силового симистора 2, управляющий электрод которого соединен с анодом через диодный мост с диодами 3,4,5,6 и мощным высоковольтным полевым транзистором 7, включенным в диагональ моста. Затвор этого транзистора соединен с истоком через резистор 8, а также подключен к коллектору транзистора 9 ключевого каскада, база которого через резистор 10 и стабилитрон 11 соединена с истоком транзистора 7, а между эмиттером и истоком включены параллельно накопительный конденсатор 12, пороговый элемент верхнего предела напряжения 13 и инвертирующий пороговый элемент нижнего предела напряжения 14. Выпрямитель сетевого напряжения на диоде 15 через токоограничительный резистор 16 соединен с эмиттером транзистора 9. A device for protecting the consumer from abnormal voltage in AC networks contains an electricity consumer 1, an actuator, which is also a protective device, consisting of a power triac 2, the control electrode of which is connected to the anode through a diode bridge with diodes 3,4,5,6 and powerful high-voltage field-effect transistor 7, included in the diagonal of the bridge. The gate of this transistor is connected to the source through the resistor 8, and is also connected to the collector of the transistor 9 of the key stage, the base of which is connected through the resistor 10 and the zener diode 11 to the source of the transistor 7, and a storage capacitor 12, a threshold element of the upper voltage limit, are connected in parallel between the emitter and the source 13 and the inverting threshold element of the lower voltage limit 14. The rectifier of the mains voltage on the diode 15 is connected to the emitter of the transistor 9 through a current-limiting resistor 16.

Устройство работает следующим образом. При подключении к сети с нормальным напряжением, не приводящим к срабатыванию пороговых элементов 13 и 14, происходит зарядка накопительного конденсатора 12 положительным напряжением через резистор 16 от выпрямителя сетевого напряжения на диоде 15, и при достижении напряжения пробоя стабилитрона 11 транзистор 9 открывается и затвор транзистора 7 подключается к конденсатору 12, при этом транзистор 7 открывается положительным напряжением, приложенным между истоком и затвором. Управляющий электрод симистора 2 через диодный мост 3,4,5,6 и открытый транзистор 7 оказывается соединенным с анодом, в результате потребитель электроэнергии 1 подключается к электросети. При этом скорость нарастания тока управления максимальна, так как до открытия симистора 2 между анодом и управляющим электродом в начале каждого полупериода приложено полное напряжение сети, а сопротивления катод- управляющий электрод симистора 2 и переход сток-исток полевого транзистора 7 в открытом состоянии малы, что приводит к минимуму время включения симистора в начале каждого полупериода сети, а следовательно, к минимальным потерям мощности на потребителе, близким к теоретически возможным. При открытии симистора 2 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 12. При изменении напряжения сети выше или ниже заданных уровней пороговые элементы 13 или 14 разряжают накопительный конденсатор 12 до нуля, что приводит к закрытию транзистора 7 и силового симистора 2, и потребитель 1 отключается от питающей сети, при этом предельное напряжение может многократно превышать номинальное напряжение сети и ограничено напряжением пробоя силового симистора 2, полевого транзистора 7 и диодов 3,4,5,6. The device operates as follows. When connected to a network with a normal voltage that does not cause threshold elements 13 and 14 to operate, the storage capacitor 12 is charged with positive voltage through a resistor 16 from the mains voltage rectifier on diode 15, and when the breakdown voltage of the zener diode 11 is reached, transistor 9 opens and the gate of transistor 7 connected to the capacitor 12, while the transistor 7 opens with a positive voltage applied between the source and the gate. The control electrode of the triac 2 through the diode bridge 3,4,5,6 and the open transistor 7 is connected to the anode, as a result, the consumer 1 is connected to the mains. In this case, the slew rate of the control current is maximum, since before the opening of the triac 2 between the anode and the control electrode, the full mains voltage is applied at the beginning of each half-cycle, and the resistance of the cathode-control electrode of the triac 2 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 triac at the beginning of each half-cycle of the network, and therefore, to the minimum power loss at the consumer, close to theoretically possible. When the triac 2 is opened, the control current drops to almost zero, since the voltage between the cathode and the anode is very small. Field-effect transistor 7 is constantly open by positive voltage at the storage capacitor 12. When the mains voltage changes above or below predetermined levels, the threshold elements 13 or 14 discharge the storage capacitor 12 to zero, which leads to the closure of transistor 7 and power triac 2, and consumer 1 is disconnected from the supply network, while the limit voltage can be many times higher than the rated voltage of the network and is limited by the breakdown voltage of the power triac 2, field-effect transistor 7 and diodes 3,4,5,6.

При первоначальном подключении к сети с повышенным или пониженным напряжением силовой симистор 2 закрыт, так как время заряда накопительного конденсатора 12, а следовательно, и открытия полевого транзистора 7, многократно превышает время срабатывания пороговых элементов 13 и 14, при этом пороговые элементы разряжают конденсатор 12, и потребитель 1 защищен от ненормированного напряжения. When initially connected to a network with an increased or reduced voltage, the power triac 2 is closed, since the charging time of the storage capacitor 12, and therefore the opening of the field effect transistor 7, is many times greater than the response time of the threshold elements 13 and 14, while the threshold elements discharge the capacitor 12, and consumer 1 is protected against abnormal voltage.

Таким образом, при использовании данного устройства осуществляется защита потребителя от повышенного и пониженного напряжений электросети, достигается повышенная надежность и перегрузочная способность по напряжению и току, минимальные потери мощности на потребителе, защита от ненормированного напряжения при первоначальном включении. Thus, when using this device, the consumer is protected from over and under voltage of the power supply network, increased reliability and overload ability in voltage and current, minimal power loss at the consumer, protection against abnormal voltage during initial switching on are achieved.

Claims

A device for protecting the consumer from abnormal voltage in AC networks, containing a threshold element and an actuator connected to it, which is simultaneously a protective device, characterized in that it is equipped with a second threshold element, an actuator consisting of a power triac, the control electrode of which is connected to anode through a diode bridge with a field-effect transistor included in the diagonal of the bridge, the gate of which is connected to the collector of the transistor of the key stage, which has a circuit ase series connected resistor and zener diode connected to the source of the FET, and its emitter connected to the storage capacitor and to the above both threshold elements upper voltage limit and the inverting threshold element of the lower voltage limit, connected in parallel and connected through a resistor to the rectifier mains voltage across the diode.