Устройство контроля фаз

Полезная модель относится к устройствам защиты электроустановок от несимметричных режимов в трехфазных сетях переменного тока. Целью изобретения является создание устройства контроля фаз, не требующего регулировки при смене нагрузки, и работающего как с трехпроводной, так и четырехпроводной сетью и гальванически развязанного с ними. Устройство контроля фаз сети переменного тока содержит последовательно соединенные узел контроля, блок выпрямления выходного сигнала узла контроля, узел сравнения, блок индикаторов, а также и выпрямитель электропитания, по входу соединенный с узлом контроля, а по выходу с узлом сравнения и индикаторами. Сущность изобретения заключается в схемном выполнении узла контроля в трех возможных вариантах. В первом варианте узел контроля выполнен на трехфазном трансформаторе с тремя первичными и двенадцатью вторичными обмотками, первичные обмотки этого трансформатора подключены к фазам контролируемой сети и соединены в звезду, а вторичные обмотки соединены последовательно и разбиты на четыре группы по три обмотки, при этом в трех группах две из них включены синфазно, одна противофазно, причем в каждой из трех групп противофазная обмотка подсоединена к разным фазам сети, а обмотки четвертой группы через выпрямители подсоединены к узлу сравнения и индикаторам для обеспечения их электропитания. Выводы первых трех групп обмоток трансформатора через три выпрямителя подсоединены к трем входам узла сравнения. Каждый из трех выходов узла сравнения подсоединен к соответствующему индикатору. Используя аналогичный подход в подсоединении обмоток, второй вариант выполнен на шести однофазных трансформаторах, третий - на трех однофазных трансформаторах.

Назначение

Заявляемая полезная модель относится к устройствам защиты электроустановок, а именно к устройствам защиты от несимметричных режимов в трехфазных сетях переменного тока.

Уровень техники

На практике широкое распространение получили фазовые методы выявления несимметричных режимов. При симметрии токов углы между токами трех фаз составляют 120°, а при появлении несимметрии происходит увеличение двух углов, доходящее при отсутствии одного из токов (обрыв фазы), до 180°. Таким образом, контролируя изменение углов между токами, можно выявить несимметричный режим.

Один из способов контроля основан на сравнении интервалов времени между моментами перехода через ноль мгновенных значений фазных токов (а.с. СССР 488280) с заданной величиной. Превышение заданного интервала времени (одной трети или одной шестой периода в зависимости от исполнения схемы) свидетельствует о появлении несимметрии токов и приводит к срабатыванию защиты. Недостатком этих устройств является зависимость работы защиты от отклонения частоты напряжения сети.

Этого недостатка лишено устройство защиты со сравнением по фазе двух напряжений, сформированных из трех фазных токов (а.с. СССР 298897). В устройстве используются два трансформатора тока с первичными обмотками, число витков которых относятся как 1:3 или 2:5. Благодаря этому на вторичных обмотках трансформаторов формируются два напряжения, сдвинутые по фазе в нормальном режиме на угол 90°. Однако такое устройство из-за наличия трансформаторов тока имеет большие габариты, малую надежность и потребляет значительную мощность.

Наиболее близким по сущности техническим решением, принимаемым за прототип, является «Устройство контроля фаз (замена УЗД-1, УЗД-2)», описанное на сайте: www.gerkon.at.ua/news/3. В состав узла контроля фаз данного устройства входят три резистора, включенные звездой, концы которой подключены к трем фазным проводам защищаемой сети. При наличии трех фаз в общей точке звезды напряжение относительно нулевого провода сети равно нулю. При отсутствии одной из фаз в этой точке возникает напряжение относительно нулевого провода. Это напряжение поступает на потенциометр узла сравнения, выполненного на транзисторе. Установка положения потенциометра задает напряжение срабатывания защиты, при котором выключается магнитный пускатель, прерывающий трехфазную сеть питания. В устройстве предусмотрены три индикатора, включенные последовательно с резисторами каждой фазы вышеуказанной звезды из резисторов.

Недостатки этого устройства: необходимость регулировки порога срабатывания (с помощью потенциометра) при смене нагрузки, узкий диапазон регулирования по мощности нагрузки, отсутствие гальванической развязки с сетью, возможность работы только с четырехпроводной сетью.

Целью изобретения является создание устройства контроля фаз, не требующего регулировки при смене нагрузки, работающего как с трехпроводной, так и четырехпроводной сетью и гальванически с ней развязанного.

Раскрытие полезной модели

Устройство контроля фаз сети переменного тока содержит последовательно соединенные узел контроля, блок выпрямления выходного сигнала узла контроля, узел сравнения, блок индикаторов, а также выпрямитель электропитания, по входу соединенный с узлом контроля, а по выходу с узлом сравнения и индикаторами.

Сущность полезной модели заключается в схемном выполнении узла контроля устройства контроля фаз сети переменного тока по одному из трех возможных вариантов: на одном трехфазном трансформаторе, на шести однофазных трансформаторах, на трех однофазных трансформаторах. Функция узла контроля: обнаружение исчезновения одной из фаз сети и передача сигнала об этом на выпрямитель и от него - узлу сравнения, который формирует сигнал на соответствующий индикатор.

В первом варианте узел контроля выполнен на трехфазном трансформаторе с тремя первичными и двенадцатью вторичными обмотками, первичные обмотки этого трансформатора подключены к фазам контролируемой сети и соединены в звезду, а вторичные обмотки разбиты на четыре группы по три обмотки. При этом в трех группах обмотки соединены последовательно, и две из них включены синфазно, а одна противофазно. В каждой из трех групп противофазная обмотка подсоединена к разным фазам сети, а обмотки четвертой группы подсоединены по питанию через выпрямители к узлу сравнения. Три неинвертирующих входа узла сравнения соединены с выходами блока выпрямителей первых трех групп, а три инвертирующих входа соединены с выпрямителями четвертой группы, для обеспечения их электропитания. Каждый из трех выходов узла сравнения подсоединен к соответствующему индикатору.

Во втором варианте узел контроля выполнен на шести однофазных трансформаторах, каждый из которых имеет одну первичную и две вторичных обмотки. Первичные обмотки подключены к фазам контролируемой сети и соединены в две звезды, а вторичные обмотки разбиты на четыре группы по три обмотки. Обмотки в трех группах соединены последовательно и две из них включены синфазно, а одна противофазно, причем в каждой из этих трех групп противофазная обмотка подсоединена к разным фазам сети. Обмотки четвертой группы через выпрямители подсоединены к узлу сравнения, три неинвертирующих входа которого соединены с выходами блока выпрямителей первых трех групп, а три инвертирующих входа соединены с выпрямителями четвертой группы. Каждый из трех выходов узла сравнения также подсоединен к соответствующему индикатору.

В третьем варианте узел контроля выполнен на трех однофазных трансформаторах, имеющих одну первичную и четыре вторичных обмотки. Первичные обмотки подключены к фазам контролируемой сети и соединены в звезду, а вторичные обмотки разбиты на четыре группы по три обмотки. В трех группах обмотки соединены последовательно и две из них включены синфазно, а одна противофазно, причем в каждой из трех групп противофазная обмотка подсоединена к разным фазам сети. Обмотки четвертой группы подсоединены по питанию через выпрямители к узлу сравнения, три неинвертирующих входа которого соединены с выходами блока выпрямителей первых трех групп, а три инвертирующих входа соединены с выпрямителями четвертой группы. Каждый из трех выходов узла сравнения также подсоединен к соответствующему индикатору.

Перечень графических иллюстраций

Фиг 1 Блок-схема устройства контроля фаз

Фиг 2 Принципиальная схема устройства контроля фаз (первый вариант)

Фиг 3 Принципиальная схема устройства контроля фаз (второй вариант)

Фиг 4 Принципиальная схема устройства контроля фаз (третий вариант)

Выполнение полезной модели

Устройство контроля фаз состоит из последовательно соединенных узла контроля 1, блока выпрямления 2 выходных сигналов этого узла, узла сравнения 3, блока индикаторов 4, а также содержит выпрямитель 5, преобразующий переменное напряжение вырабатываемое узлом контроля в постоянное для электропитания узла сравнения 3 и блока индикаторов 4. Три варианта устройства отличаются только схемным исполнением блока контроля.

Согласно первого варианта узел контроля 1 представляет собой трехфазный трансформатор с тремя первичными и двенадцатью вторичными обмотками, первичные обмотки этого трансформатора подключены к фазам контролируемой сети и соединены в звезду, а вторичные обмотки разбиты на четыре группы по три обмотки, при этом в трех группах обмотки соединены последовательно и две из указанных включены синфазно, одна противофазно, причем в каждой из трех групп противофазная обмотка подсоединена к разным фазам сети. Выходы обмоток первых трех групп соединены со входами выпрямителей 2.1, 2.2, 2.3 блока выпрямления соответственно, а обмотки четвертой группы через выпрямитель 5 соединены с узлом сравнения 3 и блоком индикаторов 4 для обеспечения их электропитания. Узел сравнения выполнен на счетверенном компараторе LM139J (конкретно в схеме используются компараторы 3.1, 3.2 и 3.3). Выходы выпрямителей 2.1, 2.2, 2.3 соединены с тремя неинвертирующими входами узла сравнения 3 (компараторы 3.1, 3.2, 3.3). Выходы выпрямителей +U и U₀ соединены с тремя инвертирующими входами компараторов узла сравнения +U и U₀. Выходы компараторов узла сравнения 3 (компараторы 3.1, 3.2 и 3.3) соединены с блоком индикаторов 4, состоящем из индикаторов 4.1, 4.2, 4.3, в качестве которых используются индикаторы единичные HLMP-1340-red.

Устройство контроля фаз по первому варианту работает следующим образом. При подключении к сети напряжение поступает на первичные обмотки трансформатора узла контроля 1. Обмотки четвертой группы этого трансформатора подают питание через выпрямитель 5 на узел сравнения 3 и блок индикаторов. Обмотки первых трех групп работают следующим образом. При наличии трех фаз сетевого напряжения напряжение как на выходе блока выпрямления 2, так и на входах узла сравнения 3 соответствует удвоенному значению модуля фазного напряжения Е, что следует из схемы включения вторичных обмоток трансформатора. Величина опорного напряжения U₀ выбирается в диапазоне E<U₀<2E, поэтому выходные сигналы узла сравнения 3 имеют предопределенный схемой высокий уровень. При обрыве одной из фаз на выходе одного из выпрямителей 2.1, или 2.2, или 2.3, к которому обмотка этой фазы подключена встречно по отношению к двум другим обмоткам, напряжение становится равным нулю.

Допустим произошел обрыв фазы В, тогда первичные обмотки трансформатора фаз А и С становятся включенными встречно, вторичные обмотки этих фаз включены согласно, напряжение на первичной обмотке фазы В становится равным нулю, поэтому на выходе выпрямителя 2.1 напряжение становится равным нулю. Вследствие этого на выходе схемы сравнения 3.1 величина сигнала резко снижается, в результате загорается индикатор обрыва фазы 4.1.

Согласно второго варианта узел контроля 1 выполнен на шести однофазных трансформаторах, каждый из которых имеет одну первичную и две вторичных обмотки, при этом первичные обмотки подключены к фазам контролируемой сети и соединены в две звезды, а вторичные обмотки разбиты на четыре группы по три обмотки, при этом в трех группах обмотки соединены последовательно и две из них включены синфазно, одна противофазно, причем в каждой из трех групп противофазная обмотка подсоединена к разным фазам сети. Выходы обмоток первых трех групп соединены со входами выпрямителей 2.1, 2.2, 2.3 блока выпрямления соответственно, а обмотки четвертой группы через выпрямитель 5 соединены с узлом сравнения 3 и блоком индикаторов 4 для обеспечения их электропитания. Узел сравнения выполнен на счетверенном компараторе LM139J (конкретно в схеме используются компараторы 3.1, 3.2 и 3.3). Выходы выпрямителей 2.1, 2.2, 2.3 соединены с тремя неинвертирующими входами узла сравнения 3 (компараторы 3.1, 3.2, 3.3). Выходы выпрямителей +U и U₀ соединены с тремя инвертирующими входами компараторов узла сравнения +U и U₀. Выходы компараторов узла сравнения 3 (компараторы 3.1, 3.2 и 3.3) соединены с блоком индикаторов 4, состоящем из индикаторов 4.1, 4.2, 4.3, в качестве которых используются индикаторы единичные HLMP-1340-red.

Устройство контроля фаз по второму варианту работает следующим образом. При подключении к сети напряжение поступает на первичные обмотки трансформаторов 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6 узла контроля 1. Обмотки четвертой группы этих трансформаторов подают питание через выпрямитель 5 на узел сравнения 3 и блок индикаторов 4. Обмотки первых трех групп работают следующим образом. При наличии трех фаз сетевого напряжения напряжение как на выходе блока выпрямителей 2, так и на входах узла сравнения 3 соответствует удвоенному значению модуля фазного напряжения Е, что следует из схемы включения вторичных обмоток трансформатора. Величина опорного напряжения U₀ выбирается в диапазоне E<U₀<2E, поэтому выходные сигналы узла сравнения 3 имеют предопределенный схемой высокий уровень. При обрыве одной из фаз на выходе одного из выпрямителей 2.1, или 2.2, или 2.3, к которому обмотка этой фазы подключена встречно по отношению к двум другим обмоткам, напряжение становится равным нулю.

Допустим произошел обрыв фазы В, тогда первичные обмотки трансформаторов 1.1 и 1.3, а также 1.4 и 1.6 фаз А и С становятся включенными встречно, вторичные обмотки этих фаз включены согласно. Напряжение на первичной обмотке фазы В становится равным нулю, поэтому на выходе выпрямителя 2.1 напряжение становится равным нулю. Вследствие этого на выходе схемы сравнения 3.1 величина сигнала резко снижается, в результате загорается индикатор обрыва фазы 4.1.

Согласно третьего варианта узел контроля выполнен на трех однофазных трансформаторах, имеющих одну первичную и четыре вторичных обмотки, при этом первичные обмотки подключены к фазам контролируемой сети и соединены в звезду, а вторичные обмотки разбиты на четыре группы по три обмотки, при этом в трех группах обмотки соединены последовательно и две из них включены синфазно, одна противофазно, причем в каждой из трех групп противофазная обмотка подсоединена к разным фазам сети. Выходы обмоток первых трех групп соединены со входами выпрямителей 2.1, 2.2, 2.3 блока выпрямления соответственно, а обмотки четвертой группы через выпрямитель 5 соединены с узлом сравнения 3 и блоком индикаторов 4 для обеспечения их электропитания. Узел сравнения выполнен на счетверенном компараторе LM139J (конкретно в схеме используются компараторы 3.1, 3.2 и 3.3). Выходы выпрямителей 2.1, 2.2, 2.3 соединены с тремя входами узла сравнения 3 (компараторы 3.1, 3.2, 3.3). Выходы выпрямителей +U и U₀ соединены с тремя инвертирующими входами компараторов узла сравнения +U и U₀. Выходы компараторов узла сравнения 3 (компараторы 3.1, 3.2 и 3.3) соединены с блоком индикаторов 4, состоящем из индикаторов 4.1, 4.2, 4.3, в качестве которых используются индикаторы единичные HLMP-1340-red.

Устройство контроля фаз по третьему варианту работает следующим образом. При подключении к сети напряжение поступает на первичные обмотки трансформаторов 1.1, 1.2, 1.3 узла контроля 1. Обмотки четвертой группы этих трансформаторов подают питание через выпрямитель 5 на узел сравнения 3 и блок индикаторов 4. Обмотки первых трех групп работают следующим образом. При наличии трех фаз сетевого напряжения напряжение как на выходе блока выпрямителей 2, так и на входах узла сравнения 3 соответствует удвоенному значению модуля фазного напряжения Е, что следует из схемы включения вторичных обмоток трансформатора. Величина опорного напряжения U₀ выбирается в диапазоне E<U₀<2E, поэтому выходные сигналы узла сравнения 3 имеют предопределенный схемой высокий уровень. При обрыве одной из фаз на выходе одного из выпрямителей 2.1, или 2.2, или 2.3, к которому обмотка этой фазы подключена встречно по отношению к двум другим обмоткам, напряжение становится равным нулю.

Допустим произошел обрыв фазы В, тогда первичные обмотки трансформаторов 1.1 и 1.3 фаз А и С становятся включенными встречно, вторичные обмотки этих фаз включены согласно. Напряжение на первичной обмотке фазы В становится равным нулю, поэтому на выходе выпрямителя 2.1 напряжение становится равным нулю. Вследствие этого на выходе схемы сравнения 3.1 величина сигнала резко снижается, в результате загорается индикатор обрыва фазы 4.1.

В настоящее время по материалам заявки изготовлен опытный образец устройства, который при испытаниях подтвердил достижение вышеуказанного технического эффекта.

1. Устройство контроля фаз сети переменного тока, содержащее узел контроля, узел сравнения и индикаторы, отличающееся тем, что узел контроля выполнен на трехфазном трансформаторе с тремя первичными и двенадцатью вторичными обмотками, при этом первичные обмотки подключены к фазам контролируемой сети и соединены в звезду, а вторичные обмотки разбиты на четыре группы по три обмотки, при этом в трех группах обмотки соединены последовательно и две из них включены синфазно, а одна противофазно, причем в каждой из трех групп противофазная обмотка подсоединена к разным фазам сети, а обмотки четвертой группы через выпрямитель (выпрямители) соединены по питанию с узлом сравнения, три неинвертирующих входа которого связаны с выходами блока выпрямителей первых трех групп, а три инвертирующих входа - с выпрямителем четвертой группы обмоток.

2. Устройство контроля фаз сети переменного тока, содержащее узел контроля, узел сравнения и индикаторы, отличающийся тем, что узел контроля выполнен на шести однофазных трансформаторах, каждый из которых имеет одну первичную и две вторичных обмотки, при этом первичные обмотки подключены к фазам контролируемой сети и соединены в две звезды, а вторичные обмотки разбиты на четыре группы по три обмотки, при этом в трех группах обмотки соединены последовательно и две из них включены синфазно, одна противофазно, причем в каждой из трех групп противофазная обмотка подсоединена к разным фазам сети, а обмотки четвертой группы через выпрямитель (выпрямители) соединены по питанию с узлом сравнения, три неинвертирующих входа которого соединены с выходами блока выпрямителей первых трех групп, а три инвертирующих входа - с выпрямителем четвертой группы обмоток.

3. Устройство контроля фаз сети переменного тока, содержащее узел контроля, узел сравнения и индикаторы, отличающееся тем, что узел контроля выполнен на трех однофазных трансформаторах, имеющих одну первичную и четыре вторичных обмотки, при этом первичные обмотки подключены к фазам контролируемой сети и соединены в звезду, а вторичные обмотки разбиты на четыре группы по три обмотки, при этом в трех группах обмотки соединены последовательно и две из указанных включены синфазно, одна противофазно, причем в каждой из трех групп противофазная обмотка подсоединена к разным фазам сети, а обмотки четвертой группы через выпрямитель (выпрямители) соединены по питанию с узлом сравнения, три неинвертирующих входа которого соединены с выходами блока выпрямителей первых трех групп, а три инвертирующих входа - с выпрямителем четвертой группы обмоток.