Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОВТОРНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ

Изобретение относится к автоматизации энергосистем и может быть использовано в защите устройств электроснабжения от короткого замыкания и превышения токов нагрузки предельно-допустимых значений.

Известно устройство автоматического повторного включения, содержащее источник тока, первый и второй преобразователь, коммутатор, клемму «Вход», клемму «Выход», клемму «Общий» (см. патент №2246159 «Устройство автоматического повторного включения» авторы Монолаков В.А., Юдин В.В. и др. Опубликовано 10.02.2005 г. Бюл. №4).

Недостатком известного устройства является низкая чувствительность к изменению напряжения в цепи питания нагрузки, необходимого для формирования команды на повторное включение после самоустранения короткого замыкания.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство автоматического повторного включения, содержащее источник тока, первый и второй преобразователь, первый коммутатор, первый и второй компаратор, первый и второй источник опорного напряжения, первый триггер, клемму «Вход», клемму «Выход», клемму «Общий» (см. патент №2272347 «Устройство автоматического повторного включения» авторы Юдин В.В., Пешехонов В.А. Опубликовано 20.03.2006 г. Бюл. №8) и принятое за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, являются большие массо-габаритные показатели устройства из-за необходимости охлаждения высокоомного сопротивления источника тока при увеличении чувствительности.

Технический результат - повышение чувствительности устройства при автоматическом повторном включении после самоустранения короткого замыкания в цепи питания и уменьшение массо-габаритных показателей.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве автоматического повторного включения, содержащем источник тока, первый и второй преобразователь, первый коммутатор, первый и второй компаратор, первый и второй источник опорного напряжения, первый триггер, клемму «Вход», клемму «Выход», клемму «Общий», и клемма «Вход» соединена с входом первого преобразователя, информационный выход первого и второго преобразователя соединен с первым входом первого и второго компаратора соответственно, второй вход каждого из которых соединен с первым и вторым источником опорного напряжения, клемма «Выход» соединена с подвижным контактом первого коммутатора, неподвижный разомкнутый контакт которого соединен с входом второго преобразователя, выход второго соединен с клеммой «Общий», выход первого компаратора соединен с вход первого триггера, выход которого соединен с входом управления первого коммутатора, особенность заключается в том, что в него дополнительно введены третий преобразователь, делитель частоты, первая и вторая схема задержки, первый и второй логический элемент 2И, второй коммутатор, второй D-триггер, причем первый триггер включен по схеме D-триггера, и выход первого преобразователя соединен с входом третьего преобразователя, выход которого соединен с неподвижным замкнутым контактом первого коммутатора, а информационный выход третьего преобразователя соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с первым входом первого и второго логического элемента 2И, и выход первого компаратора соединен с входом первой схемы задержки, а выход второго компаратора соединен с входом второй схемы задержки и вторым входом первого логического элемента 2И, и выход первой схемы задержки соединен со входом второго триггера, а выход второй схемы задержки соединен с вторым входом первого логического элемента 2И, и выход первого и второго логического элемента 2И соединен с входом установки нуля первого и второго D-триггера соответственно, а выход второго D-триггера соединен с входом управления второго коммутатора, и выход источника тока соединен с клеммой «Выход» через второй коммутатор, причем источник тока генерирует ток высокой частоты.

Сущность изобретения заключается в следующем. Устройство автоматического повторного включения нашло широкое применение в устройствах автоматики, в том числе в устройствах автоматики на железной дороге, расположено непосредственно на выходе источника питания (понижающего трансформатора) и соединено с исполнительным аппаратом (релейным шкафом дистанционного управления семафором, стрелкой и др.) цепью питания различной длины. Устройство предназначено для защиты источника питания от токов короткого замыкания в цепи питания, от превышения токов нагрузки предельно допустимых значений и для обеспечения функционирования аппарата при самоустранении короткого замыкания. В процессе эксплуатации аппаратов возможны разного рода воздействия, приводящие к временному появлению короткого замыкания в цепи питания, например, схлест проводов, намыкание пучков изолированных проводов и др. Цепь питания при таком роде замыканий способна самовосстанавливаться до прибытия на место ремонтного персонала, что увеличивает безопасность эксплуатации устройств автоматики.

В прототипе устройства автоматического повторного включения коммутатор включает в цепь питания высокоомное сопротивление по сигналу первого преобразователя при превышении тока в цепи питания аппарата предельно допустимого заданного значения. По цепи питания протекает небольшой ток от источника тока. Источником тока является источник питания, являющийся источником рабочего напряжения, с включенным последовательно с цепью питания высокоомным сопротивлением R_И. Высокоомное сопротивление источника тока R_И и низкоомное сопротивление цепи питания R_Ц образуют делитель напряжения. Падение напряжения U₁ на сопротивлении делителя напряжения R_Ц подается на второй преобразователь. Падение напряжения U₁ равно:

где U_пит - напряжение питания аппарата.

Из-за того, что падение напряжения U₁ меньше напряжения второго источника опорного напряжения, то повторное включение аппарата на рабочий ток не происходит. В результате самоустранения короткого замыкания к сопротивлению цепи питания добавляется сопротивление нагрузки R_H (входное сопротивление аппарата). Падение напряжения U₂ на включенных последовательно сопротивлениях цепи питания R_Ц и сопротивлении нагрузки R_H повышается и превышает опорное напряжение второго компаратора.

Падение напряжения U₂ равно:

Второй компаратор срабатывает и устройство формирует команду для повторного включения. Коммутатор осуществляет повторное включение аппарата на рабочий ток и закорачивает высокоомное сопротивления R_И. Чувствительность S устройства при повторном включении равна отношению приращения напряжения на входе второго преобразователя ΔU=U₂-U₁ к выбранному высокоомному сопротивлению R_И и имеет следующий вид:

Чувствительность устройства, принятого за прототип, увеличивается с уменьшением высокоомного сопротивления R_И. Однако уменьшение сопротивления приводит к увеличению рассеиваемой высокоомным сопротивлением R_И мощности в режиме короткого замыкания цепи питания, поэтому необходимо применять дополнительные меры по отводу тепла и увеличения массогабаритных показателей устройства.

Для устранения влияния высокоомного сопротивления R_И на чувствительность S устройства в заявляемом устройстве источник тока независимый и подключается через второй коммутатором к цепи питания со стороны клеммы «Выход» в момент возникновения короткого замыкания. Ток источника тока I_ИТ при этом высокочастотный, изменяется по периодическому закону (см. фиг. 2а). После короткого замыкания цепи питания проходящий ток источника тока I_ИТ создает в цепи питания переменное падение напряжения U_Ц (см. фиг. 2б). Падение напряжения на полном сопротивлении Z_Ц представляет собой геометрическую сумму падений напряжений на активной и реактивной составляющей сопротивлений. Кабель питания на практике имеет распределенную индуктивность и емкость. Эти величины малы для небольших участков цепей питания от устройства автоматического повторного включения до исполнительного аппарата. Соотношение между индуктивными и емкостными сопротивлениями определяется конструкцией кабеля. Векторы напряжения на распределенной индуктивности и на распределенной емкости взаимообратные, и результирующий вектор будет уменьшаться. Поэтому падение напряжения U_Ц на полном сопротивлении Z_Ц будет незначительным.

Так как нагрузкой устройства автоматического повторного включения, как правило, являются обмотки реле, трансформаторов и др., то в полном сопротивлении нагрузки Z_H преобладает индуктивное сопротивление X_L, а полное сопротивление нагрузки Z_H>>Z_Ц. В момент самоустранения короткого замыкания в цепи питания к падению напряжения в цепи питания U_Ц прибавляется падение напряжения на нагрузке U_H, и U_H>>U_Ц. Выходное напряжение преобразуется вторым преобразователем в напряжение U_пр2. Напряжение U_пр2 сравнивается с опорным напряжением второго компаратора U_оп2, и при его превышении второй коммутатор отключает от цепи питания источник тока. Динамический диапазон изменения выходного напряжения можно регулировать в широких пределах подбором частоты источника тока, так, чтобы U_пр2>>U_оп2>>U_Ц. Чувствительность устройства при повторном включении после самоустранения короткого замыкания в цепи питания будет определяться пороговой чувствительностью компаратора - минимального уровня сигнала на входе компаратора, приводящий к его срабатыванию.

В общем случае, коммутаторы устройства могут иметь разные времена срабатывания, поэтому, если их не учитывать, то может возникнуть ситуация, когда высокое напряжение источника питания аппарата при переключениях из одного режима устройства в другой попадет на источник тока и приведет к его отказу. Для защиты источника тока в устройство введена задержка включения источника тока после срабатывания на короткое замыкание и задержка включения источника питания аппарата после самоустранения короткого замыкания.

Эпюры тока I_АПВ, проходящего через устройство автоматического повторного включения, и напряжения U_ВЫХ на выходе устройства при полном цикле работы показаны на фиг. 2а и 2б. Полный цикл состоит из следующих временных интервалов:

1. (0÷t₁) - рабочий режим работы устройства, на исполнительный аппарат подается рабочее напряжение питания U_p и в цепи питания протекает рабочий ток I_р.

2. (t₁÷t₂) - режим короткого замыкания, ток короткого замыкания I_КЗ увеличивается, напряжение близко к нулю.

3. (t₂÷t₃) - режим переключения коммутаторов, первый коммутатор отключает источник питания от аппарата, а второй коммутатор через время задержки τ_зад1 подключает к аппарату высокочастотный источник тока.

4. (t₃÷t₄) - режим ожидания, к цепи питания подключается высокочастотный источник тока и ток I_ИТ создает на полном сопротивлении Z_Ц цепи питания падение напряжения U_Ц.

5. (t₄÷t₅) - режим самоустранения короткого замыкания в цепи питания, к сопротивлению Z_Ц цепи питания прибавляется сопротивление нагрузки Z_H, напряжение на выходе устройства становится равным сумме напряжений U_Ц+U_H, ток I_ИТ в цепи питания остается неизменным.

6. (t₅÷t₆) - режим переключения коммутаторов, второй коммутатор отключает высокочастотный источник тока от аппарата, а первый коммутатор через время задержки τ_зад2 подключает к аппарату источник питания.

7. (t₆÷t) - рабочий режим работы устройства.

На фигуре 1 изображена структурная схема устройства автоматического повторного включения.

На фигуре 2 показаны эпюры тока и напряжений работы устройства.

Устройство содержит первый преобразователь 1, второй преобразователь 2, третий преобразователь 3, первый компаратор 4, второй компаратор 5, первый источник опорного напряжения 6, второй источник опорного напряжения 7, делитель частоты 8, первый D-триггер 9, второй D-триггер 10, первую схему задержки 11, вторую схему задержки 12, первый логический элемент 13, второй логический элемент 14, первый коммутатор 15, второй коммутатор 16, высокочастотный источник тока 17, клемму «Вход», клемму «Выход», клемму «Общий».

Работа устройства осуществляется следующим образом. В исходном состоянии источник питания исполнительного аппарата подключают к клеммам «Вход» и «Общий», а цепь питания исполнительного аппарата подключают к клеммам «Выход» и «Общий». Рабочий тока I_p течет по цепи от источника питания через клемму «Вход», первый 1 и третий 3 преобразователи, первый коммутатор 15, клемму «Выход», цепь питания, на исполнительный аппарат и клемму «Общий». В исходном состоянии на выходе первого компаратора 4 присутствует логический ноль (см. фиг. 2в), а на выходе второго компаратора 5 присутствует логическая единица (см. фиг. 2ж). У всех D-триггеров на прямых выходах присутствует логический ноль (см. фиг. 2д и 2е). На выходе делителя частоты 8 присутствует уровень логической единицы.

Первый преобразователь 1 является преобразователем «переменный ток - постоянное напряжение». При прохождении рабочего тока через входной и выходной вывод чувствительного элемента первого преобразователя 1, на информационном выходе преобразователя напряжение U_пр1 ниже напряжения U_оп1 первого источника опорного напряжения 6, величина которого пропорциональна току в цепи питания аппарата. Оба напряжения сравниваются первым компаратором 4. С выхода компараторов снимается напряжение логического нуля или единицы. На выходе первого компаратора 4 сигнал отсутствует, что соответствует логическому нулю.

Третий преобразователь 3 является преобразователем «переменный ток - импульсное напряжение». За один период синусоидального рабочего тока формируется не менее одного короткого импульса. Частоту следования коротких импульсов уменьшают делителем частоты 8. Сформированные импульсы с отрицательным перепадом напряжения подаются через первый 13 и второй 14 логический элемент на вход установки нуля первого 9 и второго 10 D-триггеров. В результате при нормальном рабочем режиме все триггеры поддерживаются в состоянии готовности и способны это состояние автоматически восстановить при перебоях напряжения питания или при наличии внешних помех. Частоту следования импульсов выбирают из расчета, чтобы импульсы установки нуля с наименьшей вероятностью совпали с моментом срабатывания устройства при возникновении короткого замыкания. Период следования импульсов установки нуля может быть равен сотням периодов рабочего тока.

В момент времени t₁ появления короткого замыкания в цепи питания (или при превышении рабочего тока I_p предельно допустимого) ток короткого замыкания I_КЗ начнет резко возрастать. Напряжение с первого преобразователя 1, пропорциональное величине тока, превысит напряжение первого источника опорного напряжения 6 и на выходе компаратора 4 появляется уровень логической единицы. По фронту перепада напряжения логической единицы срабатывает первый D-триггер 9. На информационном входе обоих D-триггеров постоянно установлена логическая единица. На выходе первого D-триггера 9 запишется логическая единица (см. фиг. 2д), которая переключает коммутатор 15 в момент времени t₂ и обесточивает цепь питания аппарата. Третий преобразователь 3 при этом прекращает формирование импульсов установки нуля D-триггеров, и на выходе делителя частоты 8 устанавливается уровень логической единицы. На выходе первого компаратора 4 вновь будет уровень логического нуля (см. фиг. 2в). Длительность импульса U_к1 на выходе первого компаратора 4 равна времени переключения первого коммутатора 15.

Импульс напряжения U_к1 задерживается первой схемой задержки 11 на время τ_зад1 и в момент времени t₃ поступает на вход второго D-триггера 10. На выходе второго D-триггера 10 запишется логическая единица (см. фиг. 2е), которая дает команду на замыкание коммутатора 16. В цепь питания аппарата включается высокочастотный источник тока 17 (см. фиг. 2а). По короткозамкнутой цепи питания потечет высокочастотный ток I_ИТ, который на сопротивлении Z_Ц создает падения напряжения U_Ц. Преобразователь 2 является преобразователем «переменное напряжение - постоянное напряжение». Величины напряжения U_Ц недостаточно для срабатывания второго компаратора 5, так как оно меньше напряжения U_оп2 источника опорного напряжения 7.

При самоустранении короткого замыкания в цепи питания аппарата в момент времени t₄ напряжение на выходе устройства становится равным сумме напряжений U_Ц в цепи питания и напряжения нагрузки U_H (см. фиг 2б). Второй компаратор 5 срабатывает и на выходе появляется уровень логического нуля, который через второй логический элемент 2И 14 сбрасывает второй D-триггер 10 в исходное состояние. При этом второй коммутатор 16 в момент времени t₅ размыкается и отключает высокочастотный источник тока 17 от цепи питания аппарата. На выходе второго компаратора 5 восстанавливается уровень логической единицы. Образованный таким образом импульс напряжения U_к1 (см. фиг. 2ж) задерживается второй схемой задержки 12 с временем задержки τ_зад2 и момент времени t₆ через первый логический элемент 2И 13 поступает на вход установки нуля первого D-триггера 9 и записывает логический ноль на его выходе. Первый коммутатор 15 переключается, возвращается в исходное состояние и обеспечивает рабочий режим исполнительного аппарата. Времени задержки τ_зад2 достаточно для устранения влияния напряжения питания аппарата на источник тока 17.

Таким образом достигнут технический результат, а именно, повышение чувствительности устройства при автоматическом повторном включении после самоустранения короткого замыкания в цепи питания и уменьшение массо-габаритных показателей.