RU2463693C2 - Автономное самозапитывающееся реле с числовым управлением - Google Patents

Abstract

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и точности работы реле. Реле содержит двухполупериодный мостовой выпрямитель для выпрямления тока от по меньшей мере одного датчика тока для обеспечения подачи мощности; конденсатор для сохранения подачи мощности, причем три фазы подключаются параллельно по отношению к конденсатору; первый линейный стабилизатор для уменьшения напряжения конденсатора с первого напряжения до второго напряжения на первом этапе, причем второе напряжение подается в качестве регулированного напряжения аналоговой схеме восприятия тока, резервуару энергии катушки механизма отключения и накопителю энергии для работы флага; второй линейный стабилизатор для уменьшения по меньшей одного из первого напряжения и второго напряжения до третьего напряжения на втором этапе, причем третье напряжение подается микроконтроллеру; и шунт последовательно с путем тока датчика тока для преобразования сигнала тока в сигнал напряжения; и делитель напряжения и устройство подавления пиков по датчику тока для деления сигнала напряжения и для подачи обусловленного тока посредством сигнала напряжения микроконтроллеру. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение, в целом, относится к схемам прерывания цепей и, более конкретно, к схемам измерения и восприятия токов, таким которые используются прерывателями цепей и реле перегрузки максимального тока, которые питаются от пути тока, который они приспособлены прерывать (самозапитывающиеся).

Уровень техники изобретения

Реле широко используются в современных бытовых, коммерческих и промышленных электрических системах и составляют незаменимый компонент таких систем для обеспечения защиты от состояний сверхтока и от замыкания на землю. При защите энергосистем традиционно используются статические реле с вспомогательным питанием для защиты от сверхтока и от замыкания на землю. В таких конструкциях источник электроэнергии, требующийся для электронной схемы, независим от датчиков тока. Датчики тока в этой ситуации сталкиваются с очень низкой и постоянной нагрузкой и малым диапазоном линейности, обычно в 20 раз номинального расчетного тока, что помогает исключить какие-либо существенные искажения формы сигнала вторичного тока. Поэтому датчики тока имеют малый вес и малые размеры. Также такие датчики тока сменяют первичные датчики высокого тока. Дополнительно, для измерения тока с помощью датчиков тока электроника управления получает рабочую мощность от вспомогательного источника питания, что облегчает реализацию конструкции активного фильтра, в том числе формирование сигнала. Вспомогательный источник питания дополняет использование двухполярного источника напряжения, позволяя реализовывать формирование простого активного фильтра. Дополнительно, легко может подаваться высокая мощность, потребляемая электронной схемой. Другими словами, доступна гибкость конструкции, с точки зрения выбора компонент, и доступны признаки, которые должны быть ему свойственны.

Существуют, однако, определенные ситуации, когда установка сталкивается с ограничением поддержки вспомогательного источника питания для работы реле (например, при установке блоков кольцевой магистрали в больших городах), и поэтому возникает потребность в по сути самозапитывающихся реле. Однако в случае в чистом виде самозапитывающихся реле энергия, требующаяся для электронной схемы реле, должна подаваться с помощью, по меньшей мере, одного измерительного датчика тока. Помимо прочего, это подразумевает, что датчики тока должны обеспечивать измерение тока, включая источник питания. Таким образом, основываясь на требовании по потребляемой мощности электроникой управления, влияют на VA емкость датчиков тока. Дополнительно, сам подход к получению мощности от датчика тока также вводит в искажение форму основного сигнала датчика тока за счет динамического импеданса, встречаемого датчиком, в результате требований ограничения рассеяния мощности по диапазону рабочего тока. Такое требование вызывает необходимость в датчиках тока с большей VA емкостью и большим диапазоном линейности. Требующиеся датчики тока поэтому громоздки. Чтобы достигнуть в этой ситуации лучших рабочих характеристик реле при наименее возможных размерах датчика тока и VA, необходимо достигнуть оптимального баланса аппаратных средств конструкции электроники управления и сопутствующего программного обеспечения.

Патент США № 7304828 раскрывают AC/DC интеллектуальное твердотельное устройство реле/прерывателя с восприятием тока/температуры, с защитой от перегрузки с временной задержкой и защитой от сверхтока перегрева. В этом изобретении током нагрузки управляют мощные полевые МОП-транзисторы (MOSFET) или другие транзисторы. Байпасный путь для восприятия тока контролирует ток MOSFET и в случае состояния перегрузки по току (сверхток) вызывает остановку, используя обработку сигнала. Однако оно не предусматривает защиту от короткого замыкания между фазами и от замыкания на землю, поскольку это означает, что она должна использоваться как последовательный элемент в конфигурации потока мощности.

Американская публикация 20060007627 раскрывает интеллектуальную релейную систему на основе MOSFET, реагирующую на самые разные воздействия. Релейная система содержит, по меньшей мере, одно реле, по меньшей мере, один периферийный датчик, собирающий данные, относящиеся к релейной системе, и логическое управляющее устройство, связанное с реле и датчиком. Логическое управляющее устройство дополнительно соединено с управляющим компьютером через интерфейс связи. Логическое управляющее устройство содержит средство для интеллектуального управления работой реле, основываясь на командах, принимаемых от управляющего компьютера, и данных, собранных, по меньшей мере, через один периферийный датчик и реле. Система дополнительно выполнена с возможностью использования в сетевой структуре. Этот патент описывает прохождение команд управляющего компьютера для управления работой реле.

Патент № WO/2007/114951 относится к области промышленных систем управления, методологиям и/или механизмам управления и защиты для электрических двигателей и других электрических устройств. Он может по существу удовлетворить многие из потребностей, неосуществленных механизмами предшествующего уровня техники для защиты и управления электрическими устройствами, и может обеспечить измерение тока в широком диапазоне, самокалибровку и питаемую от линии электронику широкого диапазона для обеспечения гибкости и надежности применения и экономической эффективности. Реле перегрузки может использоваться вместе с электромагнитным контактором соответственно применению как компонент промышленных систем управления. Однако этот патент описывает использование вспомогательного питания при применениях для электрических двигателей.

Патент США № 7016174 описывает систему для блока электронного отключения, посредством которого обеспечивается надежная мгновенная защита. Мультиалгоритмический подход использует алгоритм детектирования глухого металлического короткого замыкания, основанный на прямом сравнении тока и порогового значения, и дополнительный алгоритм для детектирования перегрузки по току, основанный на сравнении двойной амплитуды (от пика к пику) тока и дополнительного порогового значения тока. Однако патент не обеспечивает конфигурируемость пользователем.

В патенте США № 7248451 контроллер мощности устанавливается в пути тока между линейной стороной и стороной нагрузки электрической схемы. Контроллер мощности замыкает путь тока в присутствии подачи управления и размыкает путь тока при отсутствии подачи управления. Источник питания, электрически подключенный к пути тока, обеспечивает подачу управления. Система датчиков принимает мощность от источника питания, контролирует ток в пути тока и выводит сигнал датчика, указывающий состояние тока в пути тока. Логический контроллер также принимает мощность от источника питания, принимает сигнал датчика и снимает подачу управления от контроллера мощности, когда сигнал датчика не удовлетворяет установленным критериям. Система датчиков может содержать или оба из датчиков разбаланса для контроля баланса токов между двумя, или более электрическими линиями и датчиков перегрузки по току для контроля тока в индивидуальных линиях. Однако управление питанием - вспомогательный источник электропитания указывает, что реле тока, используемые в системе датчиков, не образуют, по своей сути, самозапитывающееся реле.

Американская публикация 20060050464, в целом, относится к системе управления и, более конкретно, к системе управления, имеющей твердотельное реле в конфигурации с разделением полупроводниковой пластины на кристаллы для управления мощностью на принимающую мощность нагрузку. Первая шина и вторая шина выполнены с возможностью содержания части для восприятия тока. Она имеет интерфейс связи, выполненный с возможностью совместимости с системой связи, выбранной из группы, содержащей однопроводный протокол WatBus.ТМ, Dallas Semoconductor, Seriplex, шину датчиков, шину DeviceNet.TM., FMS, Lon Works, Control Area Bus (CAN), Interbus S, SDLC, AS-Interface (As-i), шину Local Interconnect (LIN-шина), шину 1118 IEEE, Profibus, Modbus RTU, шину связи предприятия, содержащую TCP/IP Ethernet, Интернет, локальную сеть token ving, локальную сеть Ethernet, сеть FDDI, частную сеть передачи данных, сеть ISDN и VPN. Однако этот патент описывает твердотельное реле со множеством заказных систем связи.

Патент США № 7031131 относится к устройству защиты от перегрузки по току для обнаружения тока, протекающего через проводник, и для отключения тока, когда ток превышает заданное пороговое значение. Датчик тока, образующий устройство защиты от перегрузки и воспринимающий ток, подаваемый от источника питания к нагрузке, образуется посредством обеспечения магнитного датчика, обладающего эффектом магнитного импеданса (MI), средства питания AC, которое прикладывает АС к этому датчику, средства подачи тока смещения, которое подает ток смещения в катушку подмагничивания, средства восприятия пиков, которое воспринимает пик или изменение импеданса магнитного датчика по мере изменения напряжения, и переключателя, который выбирает выход средства восприятия пиков в соответствии с каждой фазой. Обычно обеспечиваются средство удержания, которое удерживает поочередно выходы переключателя, и средство усиления совместно, чтобы обеспечить восприятие тока в каждой фазе. Таким образом, диапазон восприятия тока увеличивается, чтобы снизить потребление энергии и стоимость. Однако это изобретение для воздействия на датчик использует источник переменного тока. Оно также использует подачу тока смещения для подмагничивания катушки подмагничивания.

Патент США № 6888712 относится к единому устройству защиты, содержащему трансформатор, входную схему и схему переключения, пригодному для добавления к системе электропитания, содержащей панель управления, электрически взаимосвязанную со стартером, чтобы управлять электрическим устройством. Патент описывает стартер с различными функциональными блоками.

Патент США № 6421216 раскрывает систему защиты от перегрузки по току, обладающую быстрым откликом на относительно малые превышения по току. Оно имеет элемент датчика и элемент прерывания последовательно между источником питания и нагрузкой. Элемент датчика функционально связан с элементом прерывания схемы через элемент управления. Когда ток превышает заданное значение, элемент датчика передает тепло на элемент управления, заставляя элемент прерывания схемы переключиться из проводящего состояния в непроводящее состояние короткого замыкания. Элемент управления может содержать устройство PTC. Однако патент описывает рассмотрение тепловых процессов передачи тепла для операций и не основан на электрическом восприятии величин тока через интерфейсные трансформаторы тока.

Американский патент № 6055145 A описывает микропроцессорный блок отключения при превышении тока, создающий сигналы отключения как регулируемую функцию тока и времени, имеет визуальное представление функции отключения на передней панели с 2 цветными светодиодами, связанными с функцией отключения и служащими в качестве индикаторов состояния отключения, когда они красные, и выбранного программируемого параметра, когда они зеленые. Зеленые светодиоды мигают, чтобы указать параметр, выбранный для изменения в режиме программы, и светятся непрерывно в режиме просмотра. Однако какая-либо индикация источника мощности не предусмотрена.

Американский патент № 6459557 раскрывает конфигурируемое реле перегрузки, по выбору операбельное в однофазном режиме работы и многофазном режиме работы с возможностью восприятия тока, протекающего через силовые проводники. Реле дополнительно сконфигурировано определять параметр относящегося к протеканию тока, такого как средний ток, векторная сумма фазных токов и разбаланс токов, основываясь на выборе однофазного или многофазного режима работы. Независимо от выбранного режима работы реле может обеспечивать защиту для множества типов состояний отказа силовых проводников, в том числе замыкания на землю, перегрузки и пропадания фазы. Реле дополнительно может быть выполнено с возможностью обеспечения сигнала отчета, указывающего значение определенного параметра, относящегося к току, и/или возникновение состояния неисправности. Таким образом, патент имеет два различных режима работы.

Патент № RU 2179775 описывает источник опорного напряжения и 2 (два) логических элемента И, чей выход подключается к входу оконечного элемента; его первый вход подключается к выходу логического элемента ИЛИ и второй вход - к одному из выходов формирователя сигнала, функцией которого является запись критической перегрузки по току; другие выходы формирователя сигналов подключаются к соответствующим входам схемы установки времени и датчик тока включается последовательно с защищаемой цепью. Первые входы формирователя сигналов подключаются к его выходу через делитель напряжения, а его вторые входы подключаются к соответствующим уровням опорных напряжений. Таким образом, устройство предусматривает защиту силовых схем переменного и постоянного тока и реализует однозначные установки тока и напряжения благодаря дискретному принципу управления. Однако патент имеет силовые цепи защиты АС и DC со стробируемой логикой без какого-либо упоминания о рабочем источнике мощности.

Патент США № 4077055 обеспечивает самозапитывающееся автономное устройство защиты от замыкания на землю, содержащее монитор тока, электронную схему для усиления выходного сигнала монитора тока, реле, подключенное к схеме усиления и выполненное с возможностью срабатывания всякий раз, когда ток замыкания на землю через монитор тока увеличивается выше заданного уровня, и сменный калиброванный предохранитель, содержащий средство активации переключателя схемной платы. Монитор тока, схема усиления и реле поддерживаются все и заключены в литой изолирующий корпус. Калиброванный предохранитель устанавливается в гнездо снаружи корпуса. Однако устройство по этому патенту, как представляется, по конструкции является больше механической вставкой для защиты от неисправности заземления вместо действительно самозапитывающегося реле, одинаково пригодно также для защиты при неисправности фаз.

Патент № EP 0469207 раскрывает самозапитывающиеся многофазные устройства защиты цепей, содержащие множество трансформаторов тока, подключенных параллельно друг другу и выполненных с возможностью индивидуальной связи с одной фазой многофазной нагрузки и обеспечения сигналов, представляющих ток, протекающий в соответствующей фазе. Переключатель выполнен с возможностью быть активированным для прерывания мощности многочисленным фазовым нагрузкам и схема определения неисправности подключается к трансформаторам схемы и к переключателю для активации переключателя для, по меньшей мере, одного заданного состояния токовых сигналов. Однако раскрытые функциональные возможности основываются на среднем токе и таким образом отличаются от настоящего изобретения.

Таким образом, ни одна из систем, соответствующих предшествующему уровню техники, не описывает или не предлагает самозапитывающееся автономное реле с числовым управлением, с точным измерением тока, оптимальной VA емкостью и диапазоном линейности, пригодными для защиты от межфазного замыкания и замыкания на землю.

Для создания мощности из источника тока токовый сигнал должен быть выпрямлен и энергия должна быть запасена в конденсаторе. Можно доказать, что для заданного тока бесконечного источника тока, двухполупериодный выпрямленный ток может поддерживать только вполне определенное значение мощности при определенном напряжении шины. Напряжение шины изменяется, как только изменяется потребление мощности, при условии, что остается постоянным ток источника. Таким образом, чтобы поддержать ток с более низкой установкой, требуется, чтобы потребление мощности электронной схемой реле было минимальным. Двухполупериодный выпрямленный ток создает только источник энергии с положительным напряжением. Создание отрицательного напряжения из источника энергии с положительным напряжением является потерей энергии. Это накладывает ограничение по доступности двухполярной подачи при формировании токового сигнала. Даже если используется двухполярная подача, ток должен измеряться в дифференциальном режиме через вторичную обмотку датчика тока (перед двухполупериодным выпрямителем). Это дополнительно усложняет реализацию схемы измерения и по этой причине увеличивает затраты. Один из пригодных способов состоит в измерении тока с установкой шунта последовательно со схемой выпрямителя.

Если вторичный ток датчика тока прерывается, это должно привести в результате к разрушительному созданию высокого напряжения на вторичных выводах. Максимальное потребление тока электронной схемой реле ограничивается. Поскольку источник тока является бесперебойным источником энергии, то при более высоких токах энергия в конденсаторе после выпрямителя увеличивается, если потребление энергии электронной схемой меньше, чем подводимая мощность. Это приводит в результате к инкрементному генерированию высокого напряжения на конденсаторе, приводящему к повреждению его самого и остальной электронной схемы. Таким образом, существенно необходимо средство, возвращающее избыточную энергию обратно в источник с низким импедансом.

По мере того как нагрузка на вторичную обмотку трансформатора тока (СТ) изменяется, изменяется требование по намагничиванию. Это приводит к переменному вторичному току. Этот эффект сказывается более сильно при более низких линейных токах, когда времена включения переключателя управления мощностью малы.

Заявителем и другими конкурирующими производителями были представлены несколько изделий, действительно поддерживающих работу в самозапитывающемся режиме. При всех обсуждавшихся выше препятствиях или ограничениях, налагаемых конфигурацией самозапитывающегося реле на измерение и управление мощностью, для функций защиты требуется иметь более высокие точности.

Задачи изобретения

Поэтому задача изобретения состоит в том, чтобы предложить процесс конфигурирования автономного самозапитывающегося реле с числовым управлением для обеспечения защиты от превышения по току для фазы и заземления в электрических системах посредством точного измерения тока.

Другая задача изобретения состоит в том, чтобы предложить процесс конфигурирования автономного самозапитывающегося реле с числовым управлением для обеспечения защиты от превышения по току для фазы и заземления в электрических системах посредством точного измерения тока, которое демонстрирует оптимальную VA емкость и диапазон линейности.

Еще одна другая задача изобретения состоит в том, чтобы предложить процесс конфигурирования автономного самозапитывающегося реле с числовым управлением для обеспечения защиты от превышения по току для фазы и заземления в электрических системах посредством точного измерения тока, не требующее никакого вспомогательного источника мощности для работы внутренней электронной схемы.

Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы предложить процесс конфигурирования автономного самозапитывающегося реле с числовым управлением для обеспечения защиты от превышения по току для фазы и заземления в электрических системах посредством точного измерения тока, являющегося компактным и получающим мощность от трансформаторов восприятия тока.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение относится к процессу конфигурирования реле защиты от превышения по току для фазы и заземления для электрических систем посредством точного измерения тока. Это реле является самозапитывающимся и не требует никакого вспомогательного источника мощности для работы электронной схемы внутри. Оно получает рабочую мощность от самих датчиков тока. Оно требует для запуска минимальный ток, по меньшей мере, в одной фазе. Ток равен 60 мА, что является суммой фазного тока через MOSFET независимо от индивидуальной величины фазного тока. Оно пригодно, когда нет вспомогательной мощности, поскольку реле получает мощность от трансформаторов восприятия тока. Диапазон установки тока составляет от 7,2 А до 8960 A, который разделен на 5 различных диапазонов, поддерживаемых набором из 5 трансформаторов тока. Оно обеспечивает измерение тока заземления посредством внутреннего программного вычисления или внешнего трансформатора тока (стержневой симметричный трансформатор тока) с номинальным вторичным током 1 А.

Настоящее изобретение обеспечивает компоновку точного измерения тока с помощью алгоритмов управления для управления мощностью, обеспечивая усиленный и обусловленный ток для оптимизации между током, необходимым для питания электронной схемы, и достоверностью измеренного токового сигнала, так чтобы и то, и другое одновременно обладали приемлемыми уровнями. Настоящее изобретение описывает восприятие тока и связанный с этим алгоритм управления мощностью в действительно самозапитывающемся реле.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения реле воспринимает фазные токи с помощью трех фазных датчиков тока.

В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения реле оценивает ток заземления внутренне через программные вычисления.

В соответствии с еще одним другим вариантом осуществления изобретения измерение тока заземления возможно также через внешний интерфейс тока заземления. Возможно любое из внутреннего или внешнего измерения тока заземления и это можно выбирать.

В дополнительном варианте осуществления изобретения опорный ток для реле может устанавливаться с помощью механических DIP-переключателей. Если воспринимаемый ток превышает опорный ток, реле освобождает энергию отключения через определенную продолжительность времени, зависящую от выбранной характеристики время-ток.

В еще одном варианте осуществления изобретения высвобождаемая энергия может быть подана на катушки отключения прерывателей цепей, чтобы устранить неисправность превышения по току.

В соответствии с изобретением реле принимает удаленную команду отключения, упоминаемую также как двоичный входной сигнал, и для каждого генерирования отключения реле устанавливает индикатор, упоминаемый как флаг или индикатор переключения, который может быть установлен в исходное состояние (сброшен), используя интерфейс с нажимной кнопкой, когда система и реле исправны и способны функционировать.

В случае любой внутренней неисправности реле (аппаратной и программной) реле генерирует индикацию Внутренней Неисправности Реле.

Реле воспринимает смещение DC, пусковой ток, THD (общее гармоническое искажение), изменение частоты (45 Гц - 65 Гц) и поддерживает целых восемь выбираемых характеристических кривых неисправностей для устранения неисправностей как для фазы, так и для заземления.

Реле адаптируемо для блоков кольцевой магистрали (RMU) внутри распределительной сети и обеспечивает высвобождение энергии для катушки отключения, используемой в RMU.

Реле может использоваться как при вторичном распределении, так и при первичном распределении.

Реле находит применение в системах защиты и управления, и принципы конструкции, а также алгоритмы могут быть приспособлены для преобразователей и измерительных целей, в том числе, для применений при сигнализации и управлении, в контрольно-измерительной аппаратуре, автоматике процессов.

Изобретение обеспечивает различные кривые IDMT (обратнозависимой выдержки времени) как для фазы, так и для заземления при защите от превышения по току, в том числе, обеспечение удаленного входного сигнала отключения, индикации готовности блока и внутренней неисправности реле с помощью светодиодов.

Изобретение также обеспечивает индикацию неисправности при превышении по току для фазы и заземления с помощью переустанавливаемого вручную в исходное положение электромеханического флага FLAG и грубой установки тока с помощью механических двоичных (DIP) переключателей в базовой версии.

Изобретение также обеспечивает интерфейс для более точных установок и поиска данных через питаемый от батарей дополнительный интерфейс "человек-машина" (HMI) с клавиатурой и дисплеем, содержащий тестовые входы для проверки на месте функциональности отдельных реле каналов фазы/заземления для отключения выхода.

Изобретение обеспечивает отказобезопасное освобождение отключения, когда выходит из строя микроконтроллер и когда фазные токи достигают 20-кратного номинального тока трансформаторов тока. Для токов отказа выше 20-кратного номинального тока СТ реле высвобождает отключение с задержкой на 40 мс.

В настоящем изобретении была разработана структура восприятия и измерения тока, использующая алгоритмы управления, содержащая схему на MOSFET и паре Дарлингтона, чтобы управлять мощностью и защищать электронную схему, другую схему или компьютер/микропроцессор, источник электропитания, содержащий конденсатор для накопления заряда, шунтирующий резистор восприятия тока и схему восприятия тока. Она имеет микроконтроллер для контроля качества мощности в сети и оно же осуществляет функцию защиты подключенного оборудования.

Краткое описание сопроводительных чертежей

Фиг.1 - блок-схема механизма переключателя/реле восприятия тока, схемы управления и отображения.

Фиг.2 - схематическое изображение процесса, соответствующего изобретению.

Фиг.3 - блок-схема последовательности выполнения операций при управлении мощностью в соответствии с изобретением.

Фиг.4 - блок-схема последовательности выполнения операций оценки среднеквадратичного (RMS) тока в соответствии с изобретением.

Фиг.5 - блок-схема последовательности выполнения операций схемы защиты в соответствии с изобретением.

Фиг.6 - примерная схема извлечения мощности и восприятия тока в соответствии с изобретением.

Фиг.7 - схема распределения мощности в соответствии с изобретением.

Описание предпочтительных вариантов осуществления

На фиг.1 показана блок-схема структуры управления мощностью, восприятия тока, механизма переключения, управления и отображения для самозапитывающегося реле 10. Это реле 10 работает без какого-либо вспомогательного источника питания. Оно получает мощность для электронной схемы реле от самих датчиков тока.

Источник питания 100 формируется, выпрямляя ток от датчиков тока с помощью двухполупериодного мостового выпрямителя и сохраняя его в конденсаторе шины. Все три фазы подключены параллельно по отношению к конденсатору.

В нормальных условиях работы напряжение конденсатора шины равно 24 В. Оно снижается до +3,3 В при использовании переключающегося стабилизатора. Питание +3,3 В используется для микроконтроллера 101 и периферийных устройств. Существует другое питание +12 В, доступное при использовании линейного стабилизатора из напряжения шины 24 В. Питание +12 В используется для питания схемы 102 восприятия аналогового тока, накопителя 104 энергии для работы FLAG и резервуара 105 энергии катушки отключения. Из регулируемых +12 В получают опорное напряжение +3,3 В для контроллера 101 через линейный стабилизатор.

В пути тока вторичной обмотки трансформатора тока (СТ) последовательно имеется шунт. Шунт преобразует сигнал тока в сигнал напряжения. Сигнал напряжения делится, используя делитель напряжения. В сети 102 восприятия тока имеется устройство подавления пиков напряжения. Обусловленный ток после каскадов операционного усилителя подается на встроенный аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера 101. Тот же самый сигнал напряжения через шунт проходит через сеть обнаружения перехода через ноль на аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера 101. Микроконтроллер 101 на основе приведенной выше информации контролирует линейный ток и частоту линейного тока.

Микроконтроллер 101 контролирует линейный ток и его качество. Он обнаруживает смещение DC, присутствующее в форме сигнала тока. Смещение DC в системе возникает в случае любой неисправности, приводящей к превышению по току. Он также обнаруживает бросок тока. Бросок тока возникает в системе в случае жесткого включения любой нагрузки с большой индуктивностью. Дополнительно он обнаруживает THD, присутствующий в системе. Гармоническое искажение возникает в системе из-за переключения нагрузок, таких как инвертор и т.д. Микроконтроллер 101 воспринимает ситуации перегрузки по току в системе. Ситуация перегрузки по току определяется как линейный ток выше, чем установленный ток, подаваемый на микроконтроллер 101 через механические DIP-переключатели 107. В случае ситуаций перегрузки по току микроконтроллер 101 проверяет наличие смещения DC броска тока и THD, присутствующий в линейном токе. Микроконтроллер 101 учитывает влияния смещения DC броска тока и THD до 30% для вычисления состояний перегрузки по току. В случае предполагаемого состояния перегрузки по току микроконтроллер 101 высвобождает энергию отключения на механизм переключения на выходной стороне реле 10, что дополнительно изолирует оборудование или участок системы питания от состояния неисправности с перегрузкой по току. Микроконтроллер 101 получает информацию об установленном токе от матрицы 107 DIP-переключателей.

Микроконтроллер 101 также принимает обусловленный сигнал из удаленного места 103 через секцию BI двоичного ввода. При получении сигнала от секции BI микроконтроллер 101 освобождает энергию отключения на внешний механизм переключения.

Микроконтроллер 101 способен сообщаться с питаемым от батареи 108 дополнительным блоком 112 HMI. Тот же самый порт связи используется для создания временных проверок. Этот порт связи недоступен для пользователя.

Микроконтроллер 101 выдает сигнал установки 104 FLAG, чтобы установить внешне видимый FLAG в случае отпуска 105 любым средством энергии для отключения. Он также подтверждает сигнал установки 104 в исходное состояние FLAG от внешней нажимной кнопки 109 и устанавливает в исходное состояние FLAG.

В случае полностью исправного состояния аппаратных средств и программного обеспечения микроконтроллер 101 включает светодиод 106 готовности блока. В случае состояния неисправности аппаратных средств или программного обеспечения микроконтроллер 101 включает светодиод 110 внутренней неисправности реле.

В настоящем изобретении использован микроконтроллер 101 LPC 2138 от NXP (ранее Phillips Semiconductors) на основе архитектуры ARM 7. Контроллер 101 запрограммирован, чтобы достигнуть описанных функциональных возможностей, с помощью специализированного встроенного кода, содержащего описанные выше функции и основные функциональные возможности изделия.

Компоненты передней панели для базового реле содержат индикации с помощью светодиодов 106, флаг 104 с возможностью установки в два положения, DIP-переключатели 107, нажимную кнопку 109 и многоконтактные соединители. Дополнительный модульный интерфейс на задней стороне имеет подобранный ответный соединитель для сопряжения с базовым реле. Интерфейс 111 связи RS232 обеспечивается для соединения контроллера 101 с интерфейсом нажимной кнопки жидкокристаллического дисплея и интерфейсом 112 связи.

На фиг.2 показан процесс, соответствующий изобретению, являющийся таким, как описано далее:

1) Блок 201: Нагрузка

Нагрузка 201 состоит из переключаемой нагрузки последовательно с шунтирующим резистором восприятия тока. Когда переключатель включен (ON), вся нагрузка обходится, а когда переключатель выключен (OFF), вся нагрузка последовательно с шунтирующим резистором для восприятия тока появляется на вторичной обмотке трансформатора тока. Резистор восприятия тока преобразует сигнал тока в сигнал напряжения.

2) Блок 202: Алгоритм управления мощностью

Блок 202 принимает решение о времени включения "ON time" переключающего устройства для управления мощностью и измерения тока. Алгоритм управления мощностью отдельно показан на фиг.3. В качестве входного сигнала этот блок получает три фазных RMS тока и на основе алгебраической суммы всех трех фазных токов 301 алгоритм управления принимает решение о времени включения "ON time" или времени 302 переключения для переключающих элементов.

3) Блок 203: Формирование сигнала

Создается только однополярное напряжение. Аппаратная фильтрация сигнала тока невозможна по различным причинам. Через керамические конденсаторы через резисторы для определения тока могут фильтроваться только высокочастотные броски тока. Воспринятые токи пропускаются через три различных усилителя, чтобы получить оптимальную амплитуду сигнала для измерения во всем рабочем диапазоне токов от 75 мА до 5,83 А. Тот же самый сигнал через резистор восприятия тока используется для идентификации перехода через ноль. Это требуется для оценки частоты, а также для алгоритмов измерения тока.

4) Блок 204: Релейный алгоритм

Этот блок 204 содержит, главным образом, модули цифровой обработки сигналов, а также содержит алгоритм защиты (отдельно показан на фиг.5) и на этой основе он создает сигнал отключения. Этот блок содержит оценку частоты, оценку RMS тока и модули защиты. На основе оценки частоты все программное обеспечение синхронизируется с оцененной частотой.

Со ссылкой на фиг.4, основываясь на оценке частоты с помощью алгоритма 401 частоты, алгоритм 402 RMS тока вычисляет RMS значение входного токового сигнала, являющегося решающим параметром для управления мощностью, а также для создания сигнала отключения.

Алгоритм 501 защиты показан на фиг.5. Здесь алгоритм RMS тока также учитывает вычисление смещения DC, идентификацию броска тока и оценку общего гармонического искажения (THD).

Ниже описывается точное измерение тока в самозапитывающемся реле, использующее уникальный алгоритм восприятия тока и управления мощностью.

На фиг.6 показан пример схемы 601 извлечения мощности и определения тока, где три фазных тока 11, 12, 13 выпрямляются, чтобы параллельно заряжать конденсатор С1 шины. Двухполупериодный выпрямленный ток воспринимается с помощью обратной земли. Отфильтрованный (противопомеховый фильтр RC) отрицательный ток относительно земли реверсируется с помощью входного каскада операционного усилителя (ОР АМР) с однополярным (однофазным) питанием и формируется, чтобы иметь возможность считываться контроллером. Как обсуждалось в предыдущих разделах, импеданс нагрузки является переменным вследствие режима заряда и разряда напряжения конденсатора. Для цели измерения требуется, чтобы импеданс, видимый источником тока, оставался постоянным. Это случай, когда MOSFET М1 открыт (ON). Поэтому измерение тока должно происходить, когда MOSFET М1 открыт (ON). Для измерения MOSFET М1 открывается (ON) на определенную продолжительность (например, на 100 мкс по меньшей мере) со скоростью 20 выборок за цикл. Все три фазных тока 11, 12 и 13 воспринимаются во время этого периода. Однако время ON MOSFET М1 может быть больше 100 мкс в зависимости от тока истока.

На фиг.7 показана система распределения мощности. Воспринимаемое напряжение шины через делитель напряжения подается на контроллер. В нормальном состоянии работы напряжение 701 конденсатора шины равно 24 В. Схема восприятия тока использует только однополярное (+ve) питание. Напряжение шины подается на линейный стабилизатор 702 +12 В, чтобы создать мощность для аналоговой схемы (схема формирования тока), резервуара для освобождения отключения и резервуара для флага индикатора отключения. То же самое напряжение шины подается на переключающий стабилизатор 703, создающий напряжение +3,3 В для цифровых схем логического уровня (контроллера и периферийных устройств). Линейный стабилизатор 704 +3,3 В следит за стабилизированным напряжением +12 В для создания опорного +3,3 В.

Управление мощностью

Источником входной мощности является определенный набор трансформаторов тока для каждой фазы. В момент времени используется один набор трансформаторов тока. Существует возможность, что доступна только одна из трех фаз. Электронная схема должна функционировать и при таких условиях тоже. Поскольку выход датчика тока зависит от входного тока и не может оставаться разомкнутым или подвергаться высокому импедансу, контур тока должен быть замкнут. В то же время, поскольку контур тока не может быть прерван, передача энергии является непрерывной и увеличивается по мере возрастания входного тока. Если энергией не управляют или она не рассеивается, напряжение шины неопределенно возрастает, поскольку потребность в мощности со стороны электронной схемы ограничена. Это в конечном итоге приводит к неисправности конденсатора и электронной схемы.

Одним из возможных вариантов является подача избыточного тока от источника с низким импедансом (требуется байпасс низкого импеданса, чтобы избежать рассеивания тепла) назад к источнику. Это делается путем использования MOSFET М1 с очень низким импедансом параллельно конденсатору С1 шины. Диод D6 используется, чтобы избежать высвобождения энергии конденсатора шины через MOSFET М1, когда он открыт.

Алгоритмы PWM для управления мощностью

Поскольку потребление тока со стороны электронной нагрузки является определенным, уровень напряжения на конденсаторе шины указывает энергию, доступную от источника. Поскольку ток нагрузки постоянен, мощность зависит от доступного напряжения шины. В соответствии с потребностью в мощности, уровень энергии в конденсаторе изменяется во времени. Это приводит к изменению напряжения шины конденсатора. Если потребление мощности постоянно, то дополнительная энергия приводит в результате к возрастанию напряжения на конденсаторе шины. Точно так же, если потребление мощности постоянно и существует снижение входной энергии на конденсатор шины, это приводит к снижению уровня напряжения конденсатора шины. В данном случае входной ток от датчиков тока для трех фаз является показателем нестабильности энергии от источника. Этот эффект является основой алгоритма косвенного управления напряжением шины.

Индивидуальный фазный ток воспринимается и основывается на алгебраической сумме трех фазных токов через MOSFET М1, создается картина PWM с фиксированным дежурным циклом. Это позволяет избежать разбалансированного импеданса, видимого трансформатором тока, для положительного и отрицательного полуцикла. Такой алгоритм управляет мощностью динамически, а также позволяет избежать насыщения датчиков тока. При этом типе управления аппаратными средствами реального реле напряжение конденсатора шины поддерживается большим, чем 22 В. Затем оно управляется на уровне около 24 В с помощью стабилитрона D5 вместе с транзистором Q1 на паре Дарлингтона.

Для цели измерения требуется, чтобы импеданс, видимый источником тока, оставался постоянным. Это происходит тогда, когда MOSFET М1 открыт. Поэтому измерение тока должно происходить, когда MOSFET М1 открыт. По этой причине MOSFET М1 включается на конкретную продолжительность (например, 100 мкс) со скоростью 20 выборок за цикл. В течение этого периода воспринимаются все три фазных тока.

В соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения система имеет другой предпочтительный признак, такой как индикации и нажимные кнопки. Зеленый светодиод предназначен для индикации готовности функции релейной защиты, а красный светодиод предназначен для индикации внутренней неисправности реле. Двухпозиционный флаг предназначается для индикации запертого механизма отключения, который приводится в исходное состояние пользователем, используя нажимную кнопку. Изобретение также содержит 46 DIP-переключателей, разделенных на 13 различных подгрупп для настроек реле, требуемых пользователю. Возможно обеспечение установки флага в исходное состояние без снятия передней крышки, и реле может устанавливаться в исходное состояние, только когда оно запитано и готово. Многоконтактные соединители обеспечивают дополнительный модульный интерфейс за счет наличия порта связи/интерфейса батареи и связи для тестирования продукции, чтобы обеспечивать мощность дополнительного модуля через базовую печатную плату реле.

Claims (20)

1. Процесс конфигурирования самозапитывающегося реле для обеспечения защиты от перегрузки по току фаз и заземления в электрических системах посредством измерения тока, содержащий: - выпрямление тока от по меньшей мере одного датчика тока посредством двухполупериодного мостового выпрямителя для обеспечения подачи мощности; сохранение подачи мощности в конденсаторе, причем три фазы подключаются параллельно по отношению к конденсатору; уменьшение напряжения конденсатора с первого напряжения до второго напряжения на первом этапе посредством первого линейного стабилизатора, причем второе напряжение подается в качестве регулированного напряжения аналоговой схеме восприятия тока, резервуару энергии катушки механизма отключения и накопителю энергии для работы флага; уменьшение по меньшей мере одного из первого напряжения и второго напряжения до третьего напряжения на втором этапе посредством второго линейного стабилизатора, причем третье напряжение подается микроконтроллеру; и преобразование сигнала тока в сигнал напряжения посредством шунта последовательно с путем тока датчика тока; деление сигнала напряжения посредством делителя напряжения и устройства подавления пиков по датчику тока и подачу обусловленного тока посредством сигнала напряжения микроконтроллеру для контроля линейного тока и частоты линейного тока.

2. Процесс по п.1, в котором контроль линейного тока и частоты линейного тока содержит оценку состояния превышения по току посредством восприятия микроконтроллером, даже в присутствии смещения по постоянному току (DC), броска тока и общего гармонического искажения (THD), и высвобождение энергии отключения в случае состояния превышения по току на механизм переключения, расположенный вне реле.

3. Процесс по п.1, содержащий высвобождение энергии отключения посредством микроконтроллера после приема обусловленного сигнала из удаленного места в секции двоичного ввода.

4. Процесс по п.1, содержащий разрешение микроконтроллеру сообщаться с дополнительным блоком - интерфейсом «человек-машина» (НМ) с питанием от батарей.

5. Процесс по п.1, содержащий подтверждение сигнала установки исходного состояния флага от внешней нажимной кнопки для установки флага в исходное состояние посредством микроконтроллера при высвобождении выпуска энергии отключения.

6. Процесс по п.1, содержащий разрешение, посредством микроконтроллера, светодиоду индикацию сигнала готовности блока, когда аппаратная и программная структура реле находятся в исправном состоянии, и разрешение светодиоду индикацию неисправности внутреннего реле, когда аппаратное обеспечение и/или программное обеспечение находятся в неисправном состоянии.

7. Процесс по п.1, содержащий обеспечение, посредством структуры поддерживающего программного обеспечения, управления мощностью, формирования сигнала, вычисления модулей для смещения по постоянному току (DC), броска тока и общего гармонического искажения, и релейной защиты.

8. Процесс по п.6, в котором первое напряжение представляет собой 24В, второе напряжение представляет собой 12В и третье напряжение представляет собой 3,3В.

9. Самозапитывающееся реле для обеспечения защиты от перегрузки по току фаз и заземления в электрических системах, содержащее: двухполупериодный мостовой выпрямитель для выпрямления тока от по меньшей мере одного датчика тока для обеспечения подачи мощности; конденсатор для сохранения подачи мощности, причем три фазы подключаются параллельно по отношению к конденсатору; первый линейный стабилизатор для уменьшения напряжения конденсатора с первого напряжения до второго напряжения на первом этапе, причем второе напряжение подается в качестве регулированного напряжения аналоговой схеме восприятия тока, резервуару энергии катушки механизма отключения и накопителю энергии для работы флага; второй линейный стабилизатор для уменьшения по меньшей одного из первого напряжения и второго напряжения до третьего напряжения на втором этапе, причем третье напряжение подается микроконтроллеру; и шунт последовательно с путем тока датчика тока для преобразования сигнала тока в сигнал напряжения; и делитель напряжения и устройство подавления пиков по датчику тока для деления сигнала напряжения и для подачи обусловленного тока посредством сигнала напряжения микроконтроллеру для контроля линейного тока и частоты линейного тока.

10. Реле по п.9, в котором микроконтроллер оценивает состояние превышения по току даже в присутствии смещения по постоянному току (DC), броска тока и общего гармонического искажения (THD), и высвобождает энергию отключения в случае состояния превышения по току на механизм переключения, расположенный вне реле.

11. Реле по п.9, в котором микроконтроллер высвобождает энергию отключения после приема обусловленного сигнала из удаленного места в секции двоичного ввода.

12. Реле по п.9, в котором микроконтроллер сообщается с дополнительным блоком-интерфейсом «человек-машина» (HMI) с питанием от батарей.

13. Реле по п.9, в котором микроконтроллер подтверждает сигнал установки исходного состояния флага от внешней нажимной кнопки для установки флага в исходное состояние при высвобождении выпуска энергии отключения.

14. Реле по п.9, в котором микроконтроллер разрешает светодиоду индикацию сигнала готовности блока, когда аппаратная и программная структура реле находятся в исправном состоянии, и разрешает светодиоду индикацию неисправности внутреннего реле, когда аппаратное обеспечение и/или программное обеспечение находятся в неисправном состоянии.

15. Реле по п.9, содержащее структуру поддерживающего программного обеспечения, имеющую управление мощностью, формирование сигнала, вычисление модулей для смещения по постоянному току (DC), броска тока и общего гармонического искажения, и релейную защиту.

16. Реле по п.9, в котором первое напряжение представляет собой 24В, второе напряжение представляет собой 12В и третье напряжение представляет собой 3,3В.

17. Процесс по п.1, содержащий управление импедансом шунта для измерения тока и подачи мощности самозапитывающемуся реле.

18. Процесс по п.17, в котором управление включает в себя:
поддержание импеданса постоянным во время измерения тока, и избежание насыщения датчика тока.

19. Реле по п.9, в котором микроконтроллер управляет импедансом шунта для измерения тока и подачи мощности самозапитывающемуся реле.

20. Реле по п.9, в котором датчик тока содержит:
трансформатор тока, имеющий вторичную обмотку последовательно с шунтом.

Images