RU2822788C1 - Устройство защиты от скачков напряжения в сети - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, преимущественно к устройствам защиты электрических потребителей в сетях переменного тока, и предназначено для защиты оборудования мощностью не более 2 кВт от скачков напряжения. Техническим результатом изобретения является повышение надежности за счет введения легкоплавкого предохранителя в цепь, упрощения конструкции устройства, а также уменьшения времени срабатывания защиты от скачков напряжения в сети. Устройство защиты от скачков напряжения в сети дополнительно содержит предохранитель легкоплавкий, подключенный последовательно в цепь с понижающим трансформатором и стабилизатором напряжения и параллельно с формирователем опорного напряжения, а также с регулятором напряжения и формирователем измеряемого напряжения. В регуляторе напряжения задан промежуток значений напряжения от минимально допустимого (U_min) до максимально допустимого (U_max). Микроконтроллер выполнен с возможностью сравнения поступающих на его входы сигналов о значении опорного напряжения с выхода формирователя опорного напряжения и измеряемого напряжения с выхода формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области электротехники, преимущественно к устройствам защиты электрических потребителей в сетях переменного тока, и предназначено для защиты оборудования мощностью не более 2 кВт от скачков напряжения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно устройство защиты многофункциональное УЗМ-50Ц (https://www.meandr.ru/uzm-50c) производства электротехнической компании "МЕАНДР", позволяющее защищать однофазных потребителей от разрушающего воздействия импульсных скачков напряжений, а также от длительной перегрузки по потребляемой мощности. Устройство содержит реле контроля напряжения с мощным встроенным реле на выходе, дополненное варисторной защитой, программируемый микроконтроллер и возможность регулировки значений напряжения срабатывания схемы защиты.

К недостаткам устройства относится прямое использование входного напряжения, отсутствие его развязки для питания внутренних элементов и отсутствие внутренней защиты этих компонентов от чрезвычайно-высокого повышения напряжения/тока.

Известно реле напряжения VPD1-60 производителя TOMZN, предназначенное для контроля напряжения в однофазных сетях переменного тока 220 В 50 Гц и защитного отключения нагрузки в случае повышения или понижения напряжения электросети сверх допустимого значения с последующим автоматическим включением. Состояние сети в нем контролируется в режиме реального времени с помощью операционных усилителей, и коммутация напряжения нагрузки осуществляется с помощью контактов реле.

Основными недостатками реле напряжения VPD1-60 являются:

- недостаточная надежность устройства;

- длительное время срабатывания схемы защиты;

- отсутствие регулировки длительности задержки включения после срабатывания устройства защиты;

- отсутствие внутренней защиты входных цепей от превышения тока в случае выхода из строя компонентов устройства;

- усложненная конструкция с использованием нескольких операционных усилителей и большого количества обратных связей, подверженных воздействию электромагнитных помех.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании надежного устройства защиты от скачков напряжения в сети, способного вовремя и быстро срабатывать для защиты электрических потребителей.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в повышении надежности за счет введения легкоплавкого предохранителя в цепь, упрощения конструкции устройства, а также уменьшения времени срабатывания защиты от скачков напряжения в сети.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что устройство защиты от скачков напряжения в сети содержит в себе соединенные электрической цепью варистор, понижающий трансформатор, связанный со стабилизатором напряжения, формирователь измеряемого напряжения, связанный с регулятором напряжения, формирователь опорного напряжения, микроконтроллер, к первому входу которого подключен стабилизатор напряжения, к второму входу которого подключен регулятор напряжения, к третьему входу которого подключен формирователь измеряемого напряжения, переключатель и защитный диод, подключенные к выходу микроконтроллера. Устройство защиты от скачков напряжения в сети содержит в себе предохранитель легкоплавкий, подключенный последовательно в цепь с понижающим трансформатором и стабилизатором напряжения и параллельно с формирователем опорного напряжения, а также с регулятором напряжения, в котором задан промежуток значений напряжения от минимально допустимого (U_min) до максимально допустимого (U_max), и формирователем измеряемого напряжения, причем микроконтроллер выполнен с возможностью сравнения поступающих на его входы сигналов о значении опорного напряжения с выхода формирователя опорного напряжения и измеряемого напряжения с выхода формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжения, согласно следующему:

если значение сетевого напряжения U, поступающего от формирователя опорного напряжения будет больше значения U_max или меньше значения U_min, поступающего от формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжения, то микроконтроллер подает сигнал переключателю на размыкание контактов, тем самым отключая сетевую нагрузку, при этом микроконтроллер начинает циклический процесс сравнения значений сетевых напряжений, поступающих от формирователя опорного напряжения и от формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжение, с периодом опроса каждые 20 мс;

если значение сетевого напряжения U, поступающего от формирователя опорного напряжения будет меньше или равно значения U_max и больше или равно значения U_min, поступающего от формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжения, то микроконтроллер подает сигнал на переключатель на замыкание контактов, тем самым подключая сетевую нагрузку;

если в течение 5 секунд на входе микроконтроллера значение сетевого напряжения U, поступающего от формирователя опорного напряжения, не попало в промежуток значений от U_min до U_max, поступающего от формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжения, то на выход микроконтроллера не подается сигнал для замыкания контактов переключателя, при этом микроконтроллер начинает циклический процесс сравнения значений сетевых напряжений, поступающих от формирователя опорного напряжения и от формирователя измеряемого напряжения в течение 5 секунд, с периодом опроса каждые 20 мс, причем контакты переключателя находятся в разомкнутом состоянии.

В частном случае реализации изобретения, микроконтроллер может регулировать длительность задержки включения устройства после размыкания контактов переключателя и отключения нагрузки от электрических потребителей.

Стабилизация - это процесс, при котором значение опорного напряжения, поступающего с выхода формирователя опорного напряжения на один вход микроконтроллера сравнивается в микроконтроллере с значением напряжения, поступающего с выхода формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжения на другой вход микроконтроллера, и значение опорного напряжения попадает в промежуток значений от минимально допустимого U_min до максимально допустимого U_max, который задан на регуляторе напряжения (U_min≤U≤U_max).

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ РЕАЛИЗАЦИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ Заявляемое изобретение поясняется графическим материалом. На фиг.1 изображена схема электрическая принципиальная, на которой обозначены следующие позиции:

1 - варистор,

2 - предохранитель легкоплавкий,

3 - понижающий трансформатор,

4 - стабилизатор напряжения,

5 - формирователь опорного напряжения,

6 - формирователь измеряемого напряжения,

7 - регулятор напряжения,

8 - микроконтроллер,

9 - переключатель,

10 - защитный диод.

Устройство защиты от скачков напряжения в сети содержит (фиг.1) варистор 1, легкоплавкий предохранитель 2, который при появлении сверхтоков разрывает электрическую цепь, понижающий трансформатор 3, стабилизатор напряжения 4, формирователь опорного напряжения 5, формирователь измеряемого напряжения 6, регулятор напряжения 7, микроконтроллер 8, переключатель 9, защитный диод 10.

В качестве микроконтроллера 8 может быть использован PIC16F628A или ему подобный. В качестве переключателя 9 может быть использовано твердотельное реле 507-1AH-F-C или ему подобный. В качестве понижающего трансформатора 3 может быть использован трансформатор ТПГ-2 или ему подобный. В качестве стабилизатора напряжения 4 может быть использован стабилизатор напряжения L7805 или ему подобный. В качестве предохранителя легкоплавкого 2 может быть выбран предохранитель, выполненный в виде плавкой вставки, например, на 800 мА. В качестве защитного диода 10 может быть использован защитный диод D5 или ему подобный.

Отдельное внимание следует уделить выбору варистора 1. Его выбор зависит от основного параметра - характеристического напряжения, при котором варистор 1 переходит в проводящее состояние. Для варистора 1 оно должно быть выше амплитудного напряжения сети при нормальных условиях и на 10-15% меньше предельно допустимого амплитудного напряжения для защищаемого оборудования.

Устройство работает следующим образом. Сетевое напряжение U, проходя через варистор 1 и легкоплавкий предохранитель 2, поступает на вход понижающего трансформатора 3, позволяющего преобразовывать сетевое напряжение U в 6В переменного тока, а далее поступает на вход микроконтроллера 8, предварительно проходя через стабилизатор напряжения 4, который формирует на своем выходе постоянное напряжение 5 В. Постоянное напряжение в 5 В на входе микроконтроллера 8 позволяет его включить и выполнить предварительный сброс микроконтроллера 8 в начальное состояние.

Дополнительно на два других входа микроконтроллера 8 поступают другие напряжения.

На один из входов микроконтроллера 8 поступает опорное напряжение, которое формируется благодаря тому, что сетевое напряжение U проходит через варистор 1 и формирователь опорного напряжения 5.

На другой вход микроконтроллера 8 поступает измеряемое напряжение, которое формируется благодаря тому, что сетевое напряжение U проходит через варистор 1 и формирователь измеряемого напряжения 6, который подключен к регулятору напряжения 7. Регулятору напряжения 7 задается промежуток значений напряжения от минимально допустимого (U_min) до максимально допустимого (U_max).

После того, как сигналы о значениях опорного и измеряемого напряжений поступили на входы микроконтроллера 8, начинается процесс их сравнения.

В случае, если значение сетевого напряжения, поступающего от формирователя опорного напряжения 5 на один из входов микроконтроллера 8 будет больше значения U_max или меньше значения U_min, поступающего от формирователя измеряемого напряжения 6 через регулятор напряжения 7 на другой вход микроконтроллера 8, то микроконтроллер 8, обработав данное сравнение, на выходе посылает сигнал на переключатель 9, который размыкает контакты, тем самым отключая сетевую нагрузку.

После этого начинается циклический процесс сравнения значений сетевых напряжений, поступающих от формирователя опорного напряжения 5 и от формирователя измеряемого напряжения 6, с периодом опроса каждые 20 мс на входах микроконтроллера 8.

Если значение сетевого напряжения, поступающего от формирователя опорного напряжения 5 на один из входов микроконтроллера 8 будет меньше или равно значения U_max и больше или равно значения U_min, поступающего от формирователя измеряемого напряжения 6 через регулятор напряжения 7 на другой вход микроконтроллера 8, то микроконтроллер 8, обработав данное сравнение, посылает сигнал на переключатель 9, который замыкает контакты, тем самым подключая сетевую нагрузку.

Если в течение 5 секунд напряжения на входах микроконтроллера 8 при проведении сравнения не смогли стабилизироваться, то есть значение сетевого напряжения, поступающего от формирователя опорного напряжения 5, не попало в промежуток значений от U_min до U_max, поступающего от формирователя измеряемого напряжения 6, то на выход микроконтроллера 8 не подается сигнал для замыкания контактов переключателя 9, и наступает следующий промежуток времени в 5 секунд с периодом опроса каждые 20 мс, в течение которого продолжается процесс сравнения до стабилизации напряжений. В этот момент контакты переключателя 9 находятся в разомкнутом состоянии.

Предохранитель легкоплавкий 2 в цепи понижающего трансформатора 3 необходим для того, чтобы он сработал раньше, чем другие элементы схемы, если на первичной обмотке понижающего трансформатора 3 произойдет короткое замыкание, или в схему попадет посторонний предмет, например, во время проведения монтажных работ отвертка упадет во включенный стабилизатор напряжения 4, способный вызвать короткое замыкание, или выйдет из строя компонент схемы, который приведет к повышению значения тока в цепи. Таким образом из строя выйдет только предохранитель легкоплавкий 2, а не другие работающие элементы схемы, что позволит заменить только предохранитель легкоплавкий 2 и защитить другие компоненты схемы от повышенных токов и скачков напряжения, а также упростить и удешевить ремонт всего устройства.

В случае выхода предохранителя легкоплавкого 2 из строя, работа устройства защиты от скачков напряжения в сети будет следующей. Микроконтроллер 8 работает за счет питания, поступающего через цепь предохранителя легкоплавкого 2, поэтому, если предохранитель легкоплавкий 2 выходит из строя, то микроконтроллер 8 тоже перестает работать. Поэтому, даже если на входы микроконтроллера 8 поступят напряжения от формирователя опорного напряжения 5 и от формирователя измеряемого напряжения 6, то это ни к чему не приведет, так как микроконтроллер 8 будет выключен.

Защитный диод 10, который расположен в схеме параллельно с переключателем 9, нужен для предотвращения скачков тока, которые могут возникать при замыкании и размыкании контактов переключателя 9. В момент размыкания контактов переключателя 9, защитный диод 10 не позволяет скачкам тока, образующимся на контактах переключателя 9, уйти в обратном направлении к элементам схемы, чтобы не вывести их из строя.

За счет программирования микроконтроллера 8 устройство защиты от скачков напряжения в сети имеет возможность регулировать длительность задержки включения устройства после размыкания контактов переключателя 9 и отключения нагрузки на потребляемое оборудование.

Claims (5)

1. Устройство защиты от скачков напряжения в сети, включающее в себя соединенные электрической цепью варистор, понижающий трансформатор, связанный со стабилизатором напряжения, формирователь измеряемого напряжения, связанный с регулятором напряжения, формирователь опорного напряжения, микроконтроллер, к первому входу которого подключен стабилизатор напряжения, к второму входу которого подключен регулятор напряжения, к третьему входу которого подключен формирователь измеряемого напряжения, переключатель и защитный диод, подключенные к выходу микроконтроллера, отличающееся тем, что содержит предохранитель легкоплавкий, подключенный последовательно в цепь с понижающим трансформатором и стабилизатором напряжения и параллельно с формирователем опорного напряжения, а также с регулятором напряжения, в котором задан промежуток значений напряжения от минимально допустимого (U_min) до максимально допустимого (U_max), и формирователем измеряемого напряжения, причем микроконтроллер выполнен с возможностью сравнения поступающих на его входы сигналов о значении опорного напряжения с выхода формирователя опорного напряжения и измеряемого напряжения с выхода формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжения, согласно следующему:

если значение сетевого напряжения U, поступающего от формирователя опорного напряжения будет больше значения U_max или меньше значения U_min, поступающего от формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжения, то микроконтроллер подает сигнал переключателю на размыкание контактов, тем самым отключая сетевую нагрузку, при этом микроконтроллер начинает циклический процесс сравнения значений сетевых напряжений, поступающих от формирователя опорного напряжения и от формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжение, с периодом опроса каждые 20 мс;

если значение сетевого напряжения U, поступающего от формирователя опорного напряжения, будет меньше или равно значению U_max и больше или равно значению U_min, поступающему от формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжения, то микроконтроллер подает сигнал на переключатель на замыкание контактов, тем самым подключая сетевую нагрузку;

если в течение 5 секунд на входе микроконтроллера значение сетевого напряжения U, поступающего от формирователя опорного напряжения, не попало в промежуток значений от U_min до U_max, поступающего от формирователя измеряемого напряжения через регулятор напряжения, то на выход микроконтроллера не подается сигнал для замыкания контактов переключателя, при этом микроконтроллер начинает циклический процесс сравнения значений сетевых напряжений, поступающих от формирователя опорного напряжения и от формирователя измеряемого напряжения в течение 5 секунд, с периодом опроса каждые 20 мс, причем контакты переключателя находятся в разомкнутом состоянии.

2. Устройство защиты от скачков напряжения в сети по п. 1, отличающееся тем, что микроконтроллер может регулировать длительность задержки включения устройства после размыкания контактов переключателя и отключения нагрузки на потребляемое оборудование.

Images