RU2524171C2

RU2524171C2 - Защитное реле

Info

Publication number: RU2524171C2
Application number: RU2012122189/07A
Authority: RU
Inventors: Хироюки СИРАКАВА; Юсуке ЯНАНГИХАСИ; Хироюки МАЕХАРА; Тосио ТАНАКА; Нориеси СУГА; Ицуо СУТО
Original assignee: Кабусики Кайся Тосиба
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2014-07-27
Also published as: JP5502439B2; US8861163B2; EP2509178B1; EP2509178A4; TWI472115B; US20120229946A1; RU2012122189A; CN102474093A; WO2011065536A1; JP2011115004A; EP2509178A1; BR112012012899A2; TW201140985A

Abstract

Изобретение относится к защитному реле, включающему в себя входную цепь, которая детектирует состояние внешнего устройства в соответствии с тем, превышает ли внешнее входное напряжение предварительно установленное пороговое напряжение. Технический результат заключается в снижении величины тепловыделения без усложнения конфигурации цепи, а также в выполнении входной цепи, способной регулировать пороговое напряжение для широкого диапазона входных напряжений с использованием одной цепи контактного входа. Защитное реле содержит входную цепь и блок срабатывания, который считывает сигнал детектирования, детектированный входной цепью, и осуществляет операцию срабатывания защитного реле. Входная цепь включает в себя средство переключения, которое становится проводящим при подаче на него деленного напряжения, полученного с помощью резисторов деления напряжения, которые делят внешнее входное напряжение, когда внешнее входное напряжение больше или равно пороговому напряжению, и оптрон, который приводится в действие стабилизированным током выходной цепи и выводит сигнал срабатывания на блок срабатывания, когда средство переключения становится проводящим. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники

Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к защитному реле, включающему в себя входную цепь, которая детектирует состояние внешнего устройства в соответствии с тем, превышает ли внешнее входное напряжение предварительно установленное пороговое напряжение.

Предшествующий уровень техники

Например, защитное реле, которое защищает систему электропитания, детектирует повреждение системы на основании величин входного тока и входного напряжения, соотношения фаз и пр. и выполняет операцию срабатывания защитного управления для защиты системы электропитания. В этом случае состояние внешнего устройства вводится с использованием сигнала контактного входа, и, например, контактный вход (двоичный вход) детектируется согласно величине значения внешнего входного напряжения по отношению к предварительно установленному пороговому напряжению.

Традиционная цепь контактного входа реализует детектирование или отсутствие детектирования контактного входа, регулируя значение тока, протекающего через оптрон, и задавая пороговое напряжение посредством резисторов, подключенных последовательно или параллельно с оптронами в качестве системы токоограничивающего резистора. В соответствующих цепях контактного входа одно пороговое напряжение задается для одной цепи. Поэтому для работы с множеством пороговых напряжений необходимо изменять задание порогового напряжения по отношению к внешнему входному напряжению. Для этого, в общем случае, выполняют цепь, имеющую изменяемые постоянные значения сопротивления для изменения задания порогового напряжения, и монтируется соответствующая монтажная плата.

В цепи контактного входа системы токоограничивающего резистора предусмотрена входная цепь программируемого контроллера, который может изменять продолжительность включения для снижения тепловыделения путем управляемого включения/отключения выхода оптрона, который передает детектированный сигнал контактного входа на блок срабатывания, посредством элемента переключения (см., например, японскую патентную заявку KOKAI № 2008-152309 (которая в дальнейшем именуется "патентный документ 1")). Дополнительно, цепь стабилизированного тока реализуется с возможностью снижения тепловыделения цепи контактного входа с использованием шунтирующей токовой цепи и перевода двух транзисторов во включенное состояние с использованием значения напряжения, определенного на основании деленного сопротивлениями напряжения, и стабилитрона (см., например, японскую патентную заявку KOKAI № 2005-101781 (которая в дальнейшем именуется "патентный документ 2")).

Однако в цепи контактного входа на основе традиционной системы токоограничивающего резистора энергопотребление на резисторах, последовательно подключенных для регулировки порогового напряжения, увеличивается и вызывает рост температуры устройства. Дополнительно, поскольку значение прямого тока, под действием которого оптрон излучает свет, регулируется посредством резисторов и зависит от характеристики оптрона, становится трудно регулировать пороговое напряжение для широкого диапазона входных напряжений с использованием одной цепи контактного входа. Поэтому при попытке задания множества пороговых напряжений в широком диапазоне с использованием одной цепи контактного входа пороговое напряжение не удается регулировать, просто изменяя постоянное значение сопротивления.

Дополнительно, в патентном документе 1, поскольку элемент переключения включается только при считывании выходного сигнала оптрона, тепловыделение, обусловленное токоограничивающим резистором, может снижаться, но пороговое напряжение трудно регулировать для широкого диапазона входных напряжений с использованием одной цепи контактного входа. Дополнительно, в патентном документе 2, поскольку предусмотрена шунтирующая токовая цепь, конфигурация цепи усложняется, хотя пороговое напряжение можно регулировать для широкого диапазона входных напряжений с использованием одной цепи контактного входа.

В этих обстоятельствах желательно обеспечить защитное реле, включающее в себя входную цепь, способную регулировать пороговое напряжение для широкого диапазона входных напряжений с использованием одной цепи контактного входа и снижать величину тепловыделения без усложнения конфигурации цепи.

Краткое изложение сущности изобретения

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения предусмотрено защитное реле, содержащее: входную цепь, которая детектирует состояние внешнего устройства в соответствии с тем, превышает ли внешнее входное напряжение предварительно установленное пороговое напряжение; и блок срабатывания, который считывает сигнал детектирования, детектированный входной цепью, и осуществляет операцию срабатывания защитного реле. Входная цепь включает в себя: средство переключения, которое становится проводящим при подаче на него деленного напряжения, полученного с помощью резисторов деления напряжения, которые делят внешнее входное напряжение, когда внешнее входное напряжение больше или равно пороговому напряжению, и оптрон, который действует под управлением стабилизированного тока выходной цепи стабилизированного тока, подающей стабилизированный ток, и выводит сигнал срабатывания на блок срабатывания, когда средство переключения становится проводящим.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 изображает принципиальную схему защитного реле согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 изображает пояснительный вид средства регулировки порогового напряжения для изменения порогового напряжения во входной цепи защитного реле согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения; и

фиг.3 изображает принципиальную схему защитного реле согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Ниже будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения.

На фиг.1 изображена принципиальная схема защитного реле согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Защитное реле 11 сконфигурировано входной цепью 12, которая детектирует состояние внешнего устройства, и операционным блоком 13, который считывает сигнал детектирования, детектированный входной цепью 12, и осуществляет операцию срабатывания защитного реле.

Входная цепь 12 сконфигурирована с возможностью детектирования состояния внешнего устройства в соответствии с тем, превышает ли внешнее входное напряжение Vi предварительно установленное пороговое напряжение. Внешнее входное напряжение Vi, выражающее состояние внешнего устройства, подается между линией положительной полярности и линией отрицательной полярности входной цепи 12 и делится резисторами Rf, Rb, Rs. Затем деленное напряжение в точке подключения резисторов Rf, Rb деления напряжения подается на базу транзистора, который является средством 14 переключения. Стабилитрон 15 подключен между базой средства 14 переключения и линией отрицательной полярности, резистор Rs подключен между эмиттером средства 14 переключения и линией отрицательной полярности, и светодиод оптрона 16 подключен между коллектором средства 14 переключения и линией положительной полярности через резистор Rx.

С другой стороны, фототранзистор, действующий под управлением света, излучаемого светодиодом оптрона 16, подключен между линией положительной полярности и линией отрицательной полярности через резистор Ry и сконфигурирован с возможностью вывода выходного напряжения Vo на блок 13 срабатывания при срабатывании фототранзистора оптрона 16.

Таким образом, входная цепь 12 регулирует ток базы средства 14 переключения на основании значения деленного напряжения резистора Rf и резистора Rb по отношению к внешнему входному напряжению Vi и напряжению туннельного пробоя стабилитрона 15 и управляет переключением средства 14 переключения. Поэтому детектированное пороговое напряжение можно задавать на основании значения деленного напряжения в точке подключения резистора Rf и резистора Rb.

Когда средство 14 переключения, которое осуществляет управление переключением, переведено во включенное состояние, стабилизированный ток протекает через оптрон 16, и светодиод оптрона 16 излучает свет. В результате, сигнал детектирования передается на блок 13 срабатывания из входной цепи 12. Значение стабилизированного тока регулируется посредством резистора Rs на основании напряжения между базой и эмиттером средства 14 переключения и напряжения туннельного пробоя стабилитрона 15 и задается равным значению тока, при котором оптрон 16 работает стабильно.

Поэтому, когда внешнее входное напряжение Vi больше или равно пороговому напряжению, средство 14 переключения становится проводящим в соответствии с деленным напряжением в точке подключения резисторов Rf, Rb деления напряжения, которые делят внешнее входное напряжение Vi. Выходная цепь стабилизированного тока, подающая стабилизированный ток, сконфигурирована цепью базы-эмиттера средства 14 переключения, стабилитроном 15 и резистором Rs, и оптрон 16 действует согласно стабилизированному току выходной цепи стабилизированного тока и выводит сигнал срабатывания на блок 13 срабатывания, когда средство 14 переключения становится проводящим.

Таким образом, по сравнению с входной цепью на основе традиционной системы токоограничивающего сопротивления пороговое напряжение можно задавать посредством деления напряжения резистивного типа независимо от прямого тока оптрона 16, предотвращается концентрация энергопотребления на одном резисторе, и величина тепловыделения может быть снижена. Дополнительно, поскольку работа осуществляется на стабилизированном токе, это можно использовать со стабильным рабочим током оптрона 16, равным, например, приблизительно 1,5 мА. Для изменения порогового напряжения это осуществляется путем изменения постоянного значения резистора Rf. Например, пороговое напряжение изменяется за счет обеспечения резистора с необходимым постоянным значением и осуществления переключения посредством шунта и т.п.

Дополнительно, согласно фиг.2, для изменения порогового напряжения можно предусмотреть средство 17 регулировки порогового напряжения, которое изменяет пороговое напряжение во входной цепи. Согласно фиг.2, резистор Rf сконфигурирован посредством множества резисторов Rf1-Rfn, и предусмотрен элемент 18 переключения шунтирования, соединенный параллельно с каждым из резисторов Rf1-Rfn. Осуществляется управление включением/выключением элемента 18 переключения шунтирования для изменения значения всего участка резистора Rf согласно инструкции D изменения порогового напряжения от блока 13 срабатывания. В результате, соотношение деления напряжения резисторов Rf, Rb деления напряжения регулируется для регулировки порогового напряжения для внешнего входного напряжения Vi, и пороговое напряжение изменяется, в то время как деленное напряжение в точке подключения резисторов Rf, Rb деления напряжения поддерживается при напряжении, обеспечивающем проводимость средства 14 переключения.

Таким образом, в качестве цепи регулировки для сопротивления резистора Rf элементы 18 переключения шунтирования, соответственно, подключены к множеству последовательно соединенных резисторов Rf1-Rfn. На фиг.2 показан случай, когда в качестве элемента 18 переключения шунтирования используется оптрон.

Сопротивление всего участка резистора Rf регулируется путем управления включением/выключением элемента 18 переключения шунтирования для изменения порогового напряжения входной цепи 12. Таким образом, общее сопротивление последовательно соединенных резисторов можно регулировать путем передачи инструкции D изменения порогового напряжения от блока 13 срабатывания защитного реле на оптрон, который является элементом 18 переключения шунтирования, и пороговое напряжение можно переключать согласно программному обеспечению блока 13 срабатывания, не вынуждая пользователя непосредственно касаться платы.

Оптрон используется в качестве элемента 18 переключения шунтирования с возможностью изоляции блока 13 срабатывания, который является низковольтной электрической цепью с напряжением 3,3 В или 5 В, от входа входной цепи 12, на который подается внешнее входное напряжение 24 В, 48 В, 110 В, 220 В и т.п.

В этом случае задачей является сама операция переключения, обусловленная изоляцией, и элемент 18 переключения шунтирования не ограничивается оптроном. Согласно фиг.1, поскольку входная цепь 12 является входной цепью стабилизированного тока и задает пороговое напряжение с использованием резисторов деления напряжения, например, пороговые напряжения можно задавать по отношению к входным напряжениям широкого диапазона 24 В, 48 В, 110 В, 220 В.

В результате, в момент изменения порогового напряжения операция установки и удаления шунта и т.п. на плате становится ненужной и пороговое напряжение можно легко изменять, задавая его согласно программному обеспечению блока 13 срабатывания, входящего в состав защитного реле.

Согласно первому варианту осуществления повышение внутренней температуры защитного реле 11 можно уменьшить за счет подавления энергопотребления в последовательно подключенных резисторах Rf, Rb, Rs, и множество пороговых напряжений в широком диапазоне можно задавать с использованием одной входной цепи 12. Дополнительно, когда обеспечено средство регулировки порогового напряжения, множество пороговых напряжений можно легко задавать с использованием одной входной цепи 12.

Теперь опишем второй вариант осуществления настоящего изобретения. На фиг.3 изображена принципиальная схема защитного реле согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Второй вариант осуществления включает в себя входную цепь 12, которая позволяет переключать множество пороговых напряжений с использованием цепи токоограничивающего резистора.

Согласно фиг.3, входная цепь 12 подает внешнее входное напряжение Vi на последовательно подключенные резисторы R1-R4 цепи токоограничивающего резистора. Резисторы R2-R4 цепи токоограничивающего резистора образуют входные блоки 19a-19c детектирования, которые, соответственно, детектируют множество разных пороговых напряжений. Дополнительно, оптроны 20a-20c, соответственно, подключены параллельно к резисторам R2-R4 входных блоков 19a-19c детектирования. Каждый из оптронов 20a-20c срабатывает, когда внешнее входное напряжение Vi оказывается большим или равным соответствующему пороговому напряжению, подлежащему детектированию, и выводит сигнал срабатывания на блок 13 срабатывания через мультиплексор 21.

Таким образом, цепь токоограничивающего резистора регулирует прямые токи соответствующих оптронов 20a-20c посредством последовательно подключенных резистора R1 и резисторов R2-R4, подключенных параллельно с соответствующими оптронами 20a-20c для регулировки порогового напряжения, подлежащего детектированию.

Множество пороговых напряжений, подлежащих детектированию, можно одновременно детектировать с использованием одной входной цепи 12 (одного входного напряжения Vi), детектируя входной сигнал посредством множества оптронов 20a-20c. В трех оптронах 20a-20c, показанных на фиг.3, например, если прямые токи соответствующих оптронов 20a-20c предварительно отрегулированы так, чтобы оптрон 20a выдавал результат определения на основании порогового значения 48 В, чтобы оптрон 20b выдавал результат определения на основании порогового значения 110 В и чтобы оптрон 20c выдавал результат определения на основании порогового значения 220 В, можно детектировать входной сигнал с нужным пороговым напряжением.

Например, когда внешнее входное напряжение Vi равно 45 В, то есть меньше или равно минимальному пороговому значению 48 В, ни один из оптронов 20a-20c не срабатывает, и когда внешнее входное напряжение Vi равно 50 В, то есть находится в диапазоне от минимального порогового значения 48 В до промежуточного порогового значения 110 В, оптрон 20a срабатывает, ни один из оптронов 20b, 20c не срабатывает. Дополнительно, когда внешнее входное напряжение Vi равно 120 В, то есть находится в диапазоне от промежуточного порогового значения 110 В до максимального порогового значения 220 В, оптроны 20a, 20b срабатывают, и оптрон 20c не срабатывает, и когда внешнее входное напряжение Vi равно 230 В, которое больше или равно максимальному пороговому значению, срабатывают все оптроны 20a-20c. В результате, можно детектировать входной сигнал с нужным пороговым напряжением.

Таким образом, соответствующие входные блоки 19a-19c детектирования делят и вводят внешнее входное напряжение Vi для детектирования множества разных пороговых напряжений, и каждый из оптронов 20a-20c, соответственно, подключенных параллельно с входными блоками 19a-19c детектирования, выводит сигнал срабатывания на блок 13 срабатывания через мультиплексор 21, когда внешнее входное напряжение Vi оказывается большим или равным соответствующему пороговому напряжению, подлежащему детектированию.

Мультиплексор 21 принимает сигналы срабатывания оптронов 20a-20c и выводит на блок 13 срабатывания сигнал срабатывания оптронов 20a-20c, указанных сигналом S выбора от блока 13 срабатывания. Таким образом, мультиплексор 21 может получать результат определения порогового значения необходимого условия из множества пороговых напряжений, подлежащих детектированию, заданных на одной входной цепи 12 (одном внешнем входном напряжении Vi), выбирая выходной сигнал каждого из оптронов 20a-20c согласно сигналу S выбора от блока 13 срабатывания.

Дополнительно, переключение на выходное значение только нужного порогового напряжения, подлежащего детектированию, производится путем передачи сигнала S выбора на мультиплексор 21 посредством блока 13 срабатывания защитного реле 11, но мультиплексор 21 можно исключить, и все выходные сигналы соответствующих оптронов 20a-20c можно выводить на блок 13 срабатывания. В этом случае блок 13 срабатывания выбирает выходное значение только нужного порогового напряжения, подлежащего детектированию, из принятых выходных сигналов соответствующих оптронов 20a-20c.

Дополнительно, блок 13 срабатывания также может контролировать неполноценность входной цепи 12, определяя комбинацию сработавших и не сработавших оптронов 20a-20c на основании принятых выходных сигналов (сигнала срабатывания и сигнала несрабатывания) соответствующих оптронов 20a-20c. Комбинация сработавших и не сработавших оптронов 20a-20c представлена в таблице 1.

Таблица 1
	Входное напряжение Vi	Условие порогового напряжения	Состояние 1	Состояние 2
оптрон 20a		34 В или более	включен	выключен
оптрон 20b	110 В	77 В или более	включен	включен
оптрон 20c		154 В или более	выключен	выключен
определение			нормальное	аномальное

Как следует из таблицы 1, в качестве условия порогового напряжения предполагается, что оптрон 20a включен при напряжении 34 В или более, оптрон 20b включен при напряжении 77 В или более, и оптрон 20c включен при напряжении 154 В или более. В таблице 1 представлен случай, когда входное напряжение Vi равно 110 В для трех вышеописанных условий порогового напряжения.

Если входная цепь 12, показанная на фиг.3, находится в нормальном состоянии, состояние включения/выключения выходных сигналов оптронов 20a-20c задается в соответствии с определением состояния 1 в таблице 1, когда входное напряжение Vi равно 110 В. С другой стороны, например, если получен результат состояния 2 в таблице 1, можно определить, что выходы оптрона 20a и входного блока 19a детектирования при пороговом значении 34 В являются аномальными.

Это дает возможность контролировать входную цепь 12, вводя не только результат определения при указанном пороговом напряжении, но и все результаты определения на основании множества пороговых напряжений, и определяя их комбинацию. Таким образом, наличие или отсутствие светового излучения соответствующих оптронов 20a-20c можно определить согласно внешнему входному напряжению Vi и состояниям светового излучения оптронов 20a-20c, и работоспособность их периферийной цепи всегда может взаимно контролироваться программным обеспечением блока 13 срабатывания.

Согласно второму варианту осуществления возникает возможность задавать множество пороговых напряжений посредством входной цепи 12 одного значения входного напряжения с использованием традиционной системы токоограничивающего сопротивления. Дополнительно, взаимные входные блоки 19a-19c детектирования и оптроны 20a-20c и т.п. можно контролировать с использованием результатов детектирования соответствующих входных блоков детектирования.

Как подробно описано выше, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения можно обеспечить защитное реле, включающее в себя входную цепь, способную регулировать пороговое напряжение для широкого диапазона входных напряжений с использованием одной цепи контактного входа и снижать величину тепловыделения без усложнения конфигурации цепи.

Настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными вариантами осуществления как таковыми и может быть реализовано модификацией составных частей в пределах его объема на стадии реализации. Дополнительно, различные изобретения могут быть выполнены путем соответствующего комбинирования множества составных частей, раскрытых в вышеописанных вариантах осуществления. Например, можно исключить некоторые составные части из всех составных частей, указанных в вариантах осуществления. Дополнительно, можно соответственно комбинировать составные части из разных вариантов осуществления.

Claims

1. Защитное реле, содержащее
входную цепь (12), которая детектирует состояние внешнего устройства в соответствии с тем, превышает ли внешнее входное напряжение предварительно установленное пороговое напряжение, и
блок (13) срабатывания, который считывает сигнал детектирования, детектированный входной цепью (12), и осуществляет операцию срабатывания защитного реле, причем входная цепь (12) включает в себя:
средство (14) переключения, которое становится проводящим при подаче на него деленного напряжения, полученного с помощью резисторов деления напряжения, которые делят внешнее входное напряжение, когда внешнее входное напряжение больше или равно пороговому напряжению,
оптрон (16), который приводится в действие стабилизированным током выходной цепи стабилизированного тока, подающей стабилизированный ток, и выводит сигнал срабатывания на блок (13) срабатывания, когда средство (14) переключения становится проводящим, и
средство (17) регулировки порогового напряжения для регулировки соотношения деления напряжения резисторов деления напряжения для регулировки порогового напряжения для внешнего входного напряжения при поддержании деленного напряжения, полученного с помощью резисторов деления напряжения при напряжении, обеспечивающем проводимость средства (14) переключения.

2. Защитное реле, содержащее
входную цепь (12), которая детектирует состояние внешнего устройства в соответствии с тем, превышает ли внешнее входное напряжение предварительно установленное пороговое напряжение, и
блок (13) срабатывания, который считывает сигнал детектирования, детектированный входной цепью (12), и осуществляет операцию срабатывания защитного реле, причем входная цепь (12) включает в себя:
множество входных блоков (19a-19c) детектирования, которые делят и принимают внешнее входное напряжение и детектируют множество разных пороговых напряжений, и оптроны (20a-20c), которые соответственно подключены параллельно с блоками (19a-19c) детектирования, причем каждый из оптронов (20a-20c) сконфигурирован с возможностью вывода сигнала срабатывания на блок (13) срабатывания, когда внешнее входное напряжение оказывается большим или равным соответствующему пороговому напряжению, подлежащему детектированию.

3. Защитное реле по п.2, отличающееся тем, что входная цепь (12) включает в себя мультиплексор (21), который принимает сигналы срабатывания оптронов (20a-20c) и выводит сигнал срабатывания оптрона, заданного сигналом выбора от блока (13) срабатывания.

4. Защитное реле по п.2 или 3, отличающееся тем, что блок (13) срабатывания принимает сигнал действия и сигнал бездействия оптронов (20a-20c) и отслеживает неполноценность входной цепи (12) на основании комбинации срабатывания и несрабатывания оптронов (20a-20c).