RU2212085C2

RU2212085C2 - Gear to protect electric networks

Info

Publication number: RU2212085C2
Application number: RU2001112954A
Authority: RU
Inventors: В.И. Степанов; А.В. Степанова
Original assignee: Омский государственный технический университет
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2003-09-10

Abstract

FIELD: relay protection, protection of three-phase electric motors against current overload. SUBSTANCE: gear includes current transformer, voltage rectifier, overload test unit, thermal simulator of electric network, comparator and final-control relay. Voltage exceeding rated voltage emerges across input of rectifier in case of overload in electric network, overload test unit generates signal proportional to effective current in electric network and voltage which value is proportional to heating energy of electric network is formed across output of simulator. If this voltage exceeds some value specified by reference voltage electron key of comparator closes, switches on final-control relay and electric network is disconnected from system voltage. Overload test unit incorporates field-effect transistor showing quadratic dependence on initial section of volt-ampere characteristic which contributes to enhanced accuracy of operation and to simplified design of gear. EFFECT: enhanced accuracy of operation and simplified design of gear. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства для защиты электрических цепей от повреждения токами перегрузок и короткого замыкания, в частности для отключения электродвигателя при возникновении аварийных режимов работы. The invention relates to electrical engineering and can be used in various sectors of the national economy to protect electrical circuits from damage by overload currents and short circuits, in particular to turn off the electric motor in case of emergency operation.

Известно устройство для защиты электрических цепей, содержащее трансформаторы тока для подключения в разные фазы питания электрической цепи, выпрямитель напряжений, блок контроля перегрузки, тепловой имитатор электрической цепи, компаратор и исполнительное реле [1]. A device for protecting electrical circuits, containing current transformers for connecting to different phases of the power supply of the electric circuit, a voltage rectifier, an overload control unit, a thermal simulator of an electric circuit, a comparator and an actuating relay [1].

Недостатком известного устройства является то, что оно реагирует на среднее значение напряжения выпрямителя и, следовательно, на среднее значение токов, протекающих через первичные обмотки трансформаторов тока, или на среднее значение токов, протекающих в фазах питания электрической цепи. В то же время как нагрев проводов и обмоток электрических цепей происходит от действующего (эффективного) значения тока, протекающего через данные провода и обмотки. Для контроля тока по действующему значению в устройстве блок контроля перегрузки должен реагировать на квадратичное значение тока. A disadvantage of the known device is that it responds to the average value of the voltage of the rectifier and, therefore, to the average value of the currents flowing through the primary windings of the current transformers, or to the average value of the currents flowing in the phases of the power supply of the electric circuit. At the same time, the heating of wires and windings of electric circuits occurs from the current (effective) value of the current flowing through these wires and windings. To control the current according to the current value in the device, the overload control unit must respond to a quadratic current value.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для защиты электрических цепей, содержащее датчик тока для подключения в цепь питания электрической цепи, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходу датчика тока, и тепловой имитатор электрической цепи, входы которого подключены к выходам блока контроля перегрузки, а выходы через компаратор к входам исполнительного реле [2]. Это известное устройство позволяет получать нелинейную зависимость сигнала на выходе блока контроля перегрузки от тока, протекающего через провода и обмотки электрической цепи, и тем самым, позволяет получить некоторое повышение точности срабатывания защиты. The closest in technical essence is a device for protecting electrical circuits, containing a current sensor for connection to an electric circuit power circuit, an overload control unit, the inputs of which are connected to the output of the current sensor, and a thermal circuit simulator, whose inputs are connected to the outputs of the overload control unit, and the outputs through the comparator to the inputs of the executive relay [2]. This known device allows to obtain a non-linear dependence of the signal at the output of the overload control unit from the current flowing through the wires and windings of the electric circuit, and thereby allows to obtain a slight increase in the accuracy of the protection operation.

Однако в данном устройстве фактически не достигается квадратичная зависимость между сигналом на выходе блока контроля перегрузки от величины тока, протекающего через провода и обмотки электрической цепи. Нелинейная зависимость достигается за счет р-n переходов (диода и переходов база-эмиттер транзисторов). Известно, что вольтамперная характеристика р-n перехода имеет экспоненциальную, а не квадратичную зависимость. Кроме того, в известном устройстве блок контроля перегрузки содержит биполярные транзисторы, которые усложняют конструкцию блока контроля перегрузки и, следовательно, устройство в целом. However, in this device, a quadratic dependence between the signal at the output of the overload control unit and the magnitude of the current flowing through the wires and the windings of the electric circuit is not achieved. Non-linear dependence is achieved due to pn junctions (diode and base-emitter transistor junctions). It is known that the current-voltage characteristic of the pn junction has an exponential rather than quadratic dependence. In addition, in the known device, the overload control unit contains bipolar transistors, which complicate the design of the overload control unit and, therefore, the device as a whole.

Цель изобретения - повышение точности срабатывания устройства путем получения более точной квадратичной зависимости выходного сигнала блока контроля перегрузки от величины тока, протекающего через провода и обмотки, и упрощение конструкции устройства. The purpose of the invention is to increase the accuracy of operation of the device by obtaining a more accurate quadratic dependence of the output signal of the overload control unit on the amount of current flowing through the wires and windings, and simplifying the design of the device.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для защиты электрических цепей, содержащем датчик тока для подключения в цепь питания электрической цепи, блок контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам датчика тока, и тепловой имитатор электрической цепи, входы которого подключены к выходам блока контроля перегрузки, а выходы через компаратор - к входам исполнительного реле, блок контроля перегрузки выполнен в виде делителя напряжения на резисторе и полевом транзисторе с управляющим р-n переходом, затвор которого соединен с истоком этого же транзистора, а клеммы, с которыми соединены сток и исток транзистора, образуют выходы блока контроля перегрузки. This goal is achieved by the fact that in the device for protecting electrical circuits containing a current sensor for connecting an electric circuit to the power circuit, an overload control unit whose inputs are connected to the outputs of the current sensor and a thermal circuit simulator whose inputs are connected to the outputs of the overload control unit and the outputs through the comparator to the inputs of the executive relay, the overload control unit is made in the form of a voltage divider on the resistor and field-effect transistor with a pn junction, the gate of which is connected with the source of the same transistor, and the terminals to which the drain and the source of the transistor are connected form the outputs of the overload control unit.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 показаны электрические схемы предлагаемого устройства в двух вариантах исполнения. The invention is illustrated by drawings, where Figures 1 and 2 show electrical diagrams of the proposed device in two versions.

Устройство содержит датчик тока, выполненный из трансформаторов 1, 2, 3 тока для подключения в фазы А, В, С питания электрической цепи, выпрямитель 4 напряжений, входы которого подключены к выходам трансформаторов 1, 2, 3 тока, блок 5 контроля перегрузки, входы которого подключены к выходам выпрямителя 4 напряжения, и тепловой имитатор 6 электрической цепи, входы которого подключены к выходам блока 5 контроля, а выходы через компаратор 7 - к входам исполнительного реле 8, т.е. выходы имитатора 6 подключены к входам компаратора 7, а обмотка исполнительного реле 8 в свою очередь подключена через электронный ключ компаратора 7 к источнику питания. Трансформаторы 1, 2, 3 тока, выпрямитель 4 в совокупности можно рассматривать как датчик постоянного тока. Блок 5 контроля перегрузки выполнен в виде делителя напряжения на резисторе 9 и полевом транзисторе 10 с управляющим р-n переходом, затвор которого соединен с истоком этого же транзистора 10. Средняя точка выпрямителя 4 подключена к общей шине устройства, которая на чертеже обозначена в виде корпуса. Клемма, с которой соединен сток транзистора 10, образует один выход блока 5 контроля перегрузки, а клемма, с которой соединен исток транзистора 10, образует другой выход блока 5 контроля перегрузки, т. е. клеммы, с которыми соединены сток и исток полевого транзистора 10, образуют выходы блока 5 контроля перегрузки. The device contains a current sensor made of current transformers 1, 2, 3 for connecting the electric circuit to phases A, B, C, a voltage rectifier 4, the inputs of which are connected to the outputs of current transformers 1, 2, 3, overload control unit 5, inputs which are connected to the outputs of the voltage rectifier 4, and a thermal simulator 6 of the electric circuit, the inputs of which are connected to the outputs of the control unit 5, and the outputs through the comparator 7 to the inputs of the executive relay 8, i.e. the outputs of the simulator 6 are connected to the inputs of the comparator 7, and the winding of the actuating relay 8, in turn, is connected through the electronic key of the comparator 7 to the power source. Transformers 1, 2, 3 current, rectifier 4 in the aggregate can be considered as a DC sensor. The overload control unit 5 is made in the form of a voltage divider on the resistor 9 and the field effect transistor 10 with a pn junction, the gate of which is connected to the source of the same transistor 10. The midpoint of the rectifier 4 is connected to the device common bus, which is indicated in the drawing as a case . The terminal to which the drain of the transistor 10 is connected forms one output of the overload control unit 5, and the terminal to which the source of the transistor 10 is connected forms the other output of the overload control unit 5, i.e., the terminals to which the drain and source of the field-effect transistor 10 are connected form the outputs of block 5 overload control.

Питание операционного усилителя имитатора 6 и компаратора 7 осуществляется от стабилизаторов напряжения, выполненных на транзисторах 11, 12. С целью наглядности работы устройства, провода, соединяющие напряжения питания с операционным усилителем и компаратором, на чертежах не показаны. The power of the operational amplifier of the simulator 6 and the comparator 7 is provided from voltage stabilizers made on transistors 11, 12. For the purpose of illustrating the operation of the device, the wires connecting the supply voltage to the operational amplifier and comparator are not shown in the drawings.

Катушка магнитного пускателя 13 включена в сеть посредством нормально разомкнутой кнопки "Пуск" 14 и нормально замкнутой кнопки "Стоп" 15. Параллельно кнопке "Пуск" включены нормально разомкнутые контакты пускателя 13. Последовательно кнопке "Стоп" включены нормально замкнутые контакты исполнительного реле 8. The coil of the magnetic starter 13 is connected to the network by means of a normally open “Start” button 14 and a normally closed “Stop” button 15. Parallel to the “Start” button, normally open contacts of the starter 13 are connected. Normally closed contacts of the executive relay 8 are connected in series with the “Stop” button.

На фиг.1 в блоке 5 контроля перегрузки последовательная цепь резистор 9 - полевой транзистор 10 включена между положительной клеммой и средней точкой (корпусом) выпрямителя 4. На фиг.2 в блоке 5 контроля перегрузки последовательная цепь, резистор 9' - полевой транзистор 10 - резистор 9" включена между положительной и отрицательной клеммами выпрямителя 4. В обоих вариантах исполнения затвор соединен с истоком транзистора 10. In figure 1, in block 5 of the overload control, a series circuit resistor 9 - field-effect transistor 10 is connected between the positive terminal and the midpoint (case) of the rectifier 4. In figure 2 in block 5 of the overload control, the series circuit, resistor 9 '- field-effect transistor 10 - a 9 "resistor is connected between the positive and negative terminals of the rectifier 4. In both versions, the gate is connected to the source of the transistor 10.

Дополнительно в устройстве предусмотрена возможность ускоренного отключения сети от токов перегрузки. Для этой цели между выходной клеммой выпрямителя 4 и одним из входов компаратора 7 включен стабилитрон 16. Additionally, the device provides for the possibility of accelerated disconnection of the network from overload currents. For this purpose, a zener diode 16 is connected between the output terminal of the rectifier 4 and one of the inputs of the comparator 7.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При нажатии кнопки "Пуск" на катушку магнитного пускателя 13 подается напряжение сети. Замыкаются силовые контакты пускателя 13, напряжение сети подается к нагрузке, одновременно замыкаются контакты, шунтирующие кнопку "Пуск", и поддерживается подача напряжения к катушке пускателя 13. При этом по первичным обмоткам трансформаторов 1, 2, 3 потекут токи. Во вторичных обмотках этих трансформаторов будут индуцироваться напряжения, величина которых определяется коэффициентом трансформации и величиной шунтирующих вторичные обмотки резисторов. Эти напряжения поступают на входы выпрямителя 4, на выходе которого будет постоянное напряжение, величиной пропорциональное токам в фазах сети. When the "Start" button is pressed, the mains voltage is supplied to the coil of the magnetic starter 13. The power contacts of the starter 13 are closed, the mains voltage is supplied to the load, the contacts shunting the "Start" button are closed at the same time, and the voltage supply to the starter coil 13 is maintained. In this case, currents flow through the primary windings of the transformers 1, 2, 3. Voltages will be induced in the secondary windings of these transformers, the value of which is determined by the transformation coefficient and the value of the resistors shunting the secondary windings. These voltages are supplied to the inputs of the rectifier 4, the output of which will be a constant voltage proportional to the currents in the phases of the network.

Режим работы транзистора 10 задается резистором 9 на начальном участке его вольтамперной характеристики. Падение напряжения на резисторе 9 на порядок больше падения напряжения на транзисторе 10. Поэтому можно считать, что величина тока, протекающего через резистор 9, будет пропорциональна величинам токов, протекающих через первичные обмотки трансформаторов 1, 2, 3. The operation mode of the transistor 10 is set by the resistor 9 in the initial section of its current-voltage characteristics. The voltage drop across the resistor 9 is an order of magnitude greater than the voltage drop across the transistor 10. Therefore, we can assume that the magnitude of the current flowing through the resistor 9 will be proportional to the magnitude of the currents flowing through the primary windings of the transformers 1, 2, 3.

Ток резистора 9 определяет рабочую точку полевого транзистора 10. Ток I_с стока транзистора 10 будет почти ранен току резистора 9. При изменении напряжения U_зи затвор-исток изменяется проводящая ширина канала полевого транзистора, при этом изменяется его сопротивление R_си сток-исток. При малых напряжениях U_си сток-исток полевой транзистор ведет себя как управляемый резистор, сопротивление R_си канала которого пропорционально обратному напряжению на его р-n переходе. Следовательно, полевой транзистор, затвор которого соединен с истоком, имеет квадратичную зависимость U_си-f(I_c)², так как ток стока определяет падение напряжения канала, которое в свою очередь определяет сопротивление канала.Current resistor 9 determines the operating point of the FET 10. The current I _from transistor 10 drain current is almost wounded resistor 9. When changing the voltage U _{communication} gate-source voltage of the FET varies conductive channel width, thus changing its resistance R _B drain-source path. At low voltages U _{si, the} drain-source field-effect transistor behaves like a controlled resistor whose channel resistance R _si is proportional to the inverse voltage at its pn junction. Therefore, the field-effect transistor, the gate of which is connected to the source, has a quadratic dependence of U _si -f (I _c ) ² , since the drain current determines the voltage drop of the channel, which in turn determines the resistance of the channel.

Интеграл сигнала с выходов элемента 5 контроля перегрузки имитирует величину энергии теплового нагрева элементов электрической цепи или, например, асинхронного двигателя. Резистор, включенный параллельно конденсатору теплового имитатора 6, разряжает этот конденсатор. Величина напряжения, на которое разряжается конденсатор, имитирует энергию охлаждения электрической цепи. Отсюда, выходное напряжение теплового имитатора 6 будет имитировать фактический нагрев с учетом охлаждения. The signal integral from the outputs of the overload control element 5 simulates the value of the energy of thermal heating of elements of an electric circuit or, for example, an induction motor. A resistor connected in parallel with the capacitor of the thermal simulator 6 discharges this capacitor. The voltage value to which the capacitor is discharged imitates the cooling energy of an electric circuit. Hence, the output voltage of the thermal simulator 6 will simulate the actual heating taking into account cooling.

При достижении напряжения на выходе теплового имитатора порога срабатывания, устанавливаемого резисторами компаратора 7, замыкается его выходной электронный ключ, по обмотке исполнительного реле 8 потечет ток. После срабатывания реле 8 размыкаются его нормально замкнутые контакты, которые включены последовательно с кнопкой "Стоп", а размыкание этих контактов равносильно нажатию кнопки "Стоп". По катушки магнитного пускателя 13 не будет протекать ток, и его контакты разомкнутся. Электрическая цепь обесточивается. When the voltage at the output of the thermal simulator of the response threshold set by the resistors of the comparator 7 is reached, its output electronic switch closes, current flows through the winding of the executive relay 8. After the relay 8 is activated, its normally closed contacts that are connected in series with the Stop button are opened, and opening these contacts is equivalent to pressing the Stop button. The coil of the magnetic starter 13 will not flow current, and its contacts will open. The electrical circuit is de-energized.

Если в электрической цепи ток протекал не выше установленного значения, в частности, когда в качестве нагрузки сети используется асинхронный двигатель и его пуск прошел нормально и двигатель нормально функционирует, то напряжение на выходе теплового имитатора 6 не достигнет порога срабатывания компаратора 7. If the current flowed in the electric circuit no higher than the set value, in particular, when an induction motor is used as the mains load and its start is normal and the motor is functioning normally, then the voltage at the output of the thermal simulator 6 will not reach the threshold of the comparator 7.

При отключении электрической цепи от сети кнопкой "Стоп" 15 или в результате аварийного срабатывания устройства через обмотки трансформаторов 1, 2, 3 токи прекращаются, в результате разряда конденсаторов напряжение питания падает, обмотка исполнительного реле 8 обесточивается, его нормально замкнутые контакты смыкаются, т.е. устройство готово для повторного пуска. Конденсатор теплового имитатора 6 через параллельно включенный резистор разряжается. When the electric circuit is disconnected from the network using the Stop button 15 or as a result of an emergency operation of the device through the windings of transformers 1, 2, 3, the currents cease, the voltage drops as a result of the discharge of the capacitors, the winding of the executive relay 8 is de-energized, its normally closed contacts close, t. e. The device is ready for restart. The capacitor of the thermal simulator 6 is discharged through a parallel-connected resistor.

При возникновении аварийных режимов работы, например, при коротких замыканиях в электрической цепи через первичные обмотки трансформаторов 1, 2, 3 потекут большие токи, превышающие пусковые. На выходе выпрямителя 4 появится значительное напряжение, превышающее напряжение при пусковых режимах. Рабочая точка стабилитрона 16 входит в режим электрического пробоя, в результате чего на входе компаратора 7 появится положительное напряжение. Компаратор срабатывает, через обмотку исполнительного реле 8 потечет ток и произойдет отключение электрической цепи от напряжения сети. Тем самым обеспечивается быстрое выявление и отключение электрической цепи от напряжения сети при наличии короткого замыкания в электрической цепи без установки специальных защит, так как устройство имеет быстродействующую защиту, отстроенную от пусковых токов. In the event of emergency operating conditions, for example, during short circuits in the electric circuit, high currents exceeding the starting ones will flow through the primary windings of the transformers 1, 2, 3. At the output of the rectifier 4, a significant voltage will appear, exceeding the voltage during starting conditions. The operating point of the zener diode 16 enters the mode of electrical breakdown, as a result of which a positive voltage appears at the input of the comparator 7. The comparator is triggered, current will flow through the coil of the executive relay 8 and the circuit will disconnect from the mains voltage. This ensures quick detection and disconnection of the electrical circuit from the mains voltage in the presence of a short circuit in the electrical circuit without installing special protections, since the device has a high-speed protection, built-in from the starting currents.

Так как в блоке 5 контроль перегрузки осуществляется по квадрату тока, то, следовательно, устройство срабатывает от перегрузки по действующему (квадратичному) значению токов, протекающих в первичных обмотках трансформаторов 1, 2, 3 тока. Тем самым повышается точность отключения электрической цепи от напряжения сети. А так как для получения квадрата тока отпадает необходимость в применении других сложных элементов, например биполярных транзисторов, то достигается упрощение конструкции устройства. Since in block 5 the overload is controlled by the square of the current, therefore, the device is activated from the overload by the current (quadratic) value of the currents flowing in the primary windings of the current transformers 1, 2, 3. This increases the accuracy of disconnecting the electrical circuit from the mains voltage. And since there is no need to use other complex elements, for example bipolar transistors, to obtain a squared current, simplification of the device design is achieved.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1457052, кл. Н 02 Н 7/08. 1989.Sources of information
1. USSR copyright certificate 1457052, cl. H 02 H 7/08. 1989.

2. Авторское свидетельство СССР 1527686, кл. Н 02 Н 7/08, 3/08. 1994. 2. Copyright certificate of the USSR 1527686, cl. H 02 H 7/08, 3/08. 1994.

Claims

A device for protecting electrical circuits, containing a current sensor for connecting to different phases of the power supply of the electric circuit, an overload control unit, the inputs of which are connected to the outputs of the current sensor, and a thermal circuit simulator, the inputs of which are connected to the outputs of the overload control unit, and the outputs through the comparator - to the inputs of the executive relay, characterized in that the overload control unit is made in the form of a voltage divider on the resistor and field effect transistor with a pn junction, the gate and source of which are connected between each other, and the terminals to which the drain and the source of the transistor are connected form the outputs of the overload control unit.