Устройство для автоматизированного управления трехфазной электросетью

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам для автоматизированного управления трехфазными электросетями и может быть использовано для защиты силовых агрегатов трехфазной сети от повышенного напряжения, для контроля обрыва, слипания и перекоса фаз в трехфазных сетях переменного напряжения, а также для управления дополнительными электрическими устройствами. Устройство содержит три контрольные электрические цепи, каждая из которых имеет вывод для подключения к одной фазе и вывод для подключения к нейтральному токопроводу трехфазной электросети, и три измерительные электрические цепи, каждая из которых оптически связана с соответствующей контрольной цепью посредством оптрона. Вход опрона подключен в соответствующую контрольную цепь через резисторы и выпрямитель. Выход оптрона подключен в соответствующую измерительную цепь и через усилитель сигнала связан с соответствующим входом микроконтроллера. Микроконтроллер установлен с возможностью мониторинга электрических параметров трехфазной электросети и связанного со средством подключения фаз электросети к нагрузке. Технический результат - повышение надежности работы устройства, расширение его функциональных возможностей и упрощение конструкции. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам для автоматизированного управления трехфазными электросетями и может быть использована для защиты силовых агрегатов трехфазной сети от повышенного напряжения, для контроля обрыва, слипания и перекоса фаз в трехфазных сетях переменного напряжения, а также для управления дополнительными электрическими устройствами.

В настоящее время для защиты трехфазных потребителей от недопустимых колебаний напряжения в сети, используются следующие устройства (реле):

- «РНПП 301» (см. http://www.ruscomplect.ru/doc/rnpp-301.doc),

- «HRN-43» (см. http://www.eltis.com.ua/userimages/File/HRN43_43N.pdf).

Реле напряжения РНПП-301 предназначено для:

- контроля допустимого уровня действующего значения фазного/линейного напряжения,

- контроля правильного чередования фаз и отсутствия их слипания, контроля полнофазности и симметричности сетевого напряжения с регулируемой уставкой по перекосу фаз,

- контроля состояния силовых контактов магнитного пускателя до и после включения нагрузки,

- отключения нагрузки при возникновении условий для срабатывания реле;

- заданным пользователем временем срабатывания.

- контроля качества сетевого напряжения после отключения нагрузки и автоматического включения ее после восстановления параметров напряжения с заданным пользователем временем автоматического повторного включения;

- индикации всех видов аварий сетевого напряжения.

Обеспечение питание схемы РНПП301 и измерение параметров силовой сети осуществляется без гальванической развязки, при этом для сопряжения элементов схемы с контролируемой силовой сетью производится уменьшение значений входного (контролируемого) напряжения путем использования специальной RC - цепи. Данная схема устойчиво работает в диапазоне частот сети - 50 Гц при отклонении ±20% и не имеет необходимой защиты от «скачков» напряжения и соответствующих гармонических составляющих, которые наиболее опасны для элементов схемы.

При этом в промышленных силовых сетях отсутствие гальванической развязки между цепями контролируемой силовой цепи с питающими и измерительными цепями приводит к выходу элементов схемы из строя под воздействием высокочастотных гармонических составляющих при «скачках» напряжения в контролируемой сети. Наиболее опасны для элементов схемы гармоники в полосе частот 150-450 Гц и амплитудой до 220-260 V, так как значение емкостного сопротивления переменному напряжению у конденсатора С значительно уменьшается для этих частот, что вызывает увеличение напряжения на стабилитроне выше предельно-допустимого значения (24 V). Далее это напряжение поступает в цепи питания микроконтроллера и измерительную часть схемы при превышении допустимого значения напряжения, происходит повреждение элементов схемы.

Реле HRN-43 контролирует в 3-фазный сетях:

- напряжение в двух уровнях (напр. повышенное и пониженное напряжение) в пределах 138-276 V (система 3*400/230 V) или 240-480 V (система 3×400 V);

- ассиметрию фаз;

- последовательность фаз;

- выпадение фаз;

Реле HRN-43 имеет гальванически изолированное питание и переключающий выходной контакт. Данное реле используется для защиты электрооборудования от повышенного или пониженного напряжения силовой сети. При этом гальваническая развязка силовых цепей с измерительными цепями в HRN-43 также не реализована

Из уровня техники известно также устройство для сигнализации о повреждениях трехфазной электросети (раскрытое в а.с. РФ SU 1515247 А1, 15.10.1989), содержащее три контрольные электрические цепи, каждая из которых имеет вывод для подключения к одной фазе и вывод для подключения к нейтральному токопроводу трехфазной электросети, и три измерительные электрические цепи, каждая из которых оптически связана с соответствующей контрольной цепью посредством оптрона. Указанное устройство является наиболее близким аналогом (прототипом) заявленной полезной модели.

За счет использования оптронов в известном устройстве реализована гальваническая развязка электрических цепей, однако данное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, поскольку предназначено только для защиты трехфазных сетей от коротких замыканий.

Задачей заявленной полезной модели является создание устройства, обеспечивающего комплексное управление трехфазной электросетью.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении надежности работы устройства, расширении его функциональных возможностей и упрощении конструкции.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для автоматизированного управления трехфазной электросетью содержит три контрольные электрические цепи, каждая из которых имеет вывод для подключения к одной фазе и вывод для подключения к нейтральному токопроводу трехфазной электросети, и три измерительные электрические цепи, каждая из которых оптически связана с соответствующей контрольной цепью посредством оптрона, вход которого подключен в соответствующую контрольную цепь через резисторы и выпрямитель, а выход подключен в соответствующую измерительную цепь и через усилитель сигнала связан с соответствующим входом микроконтроллера, установленного с возможностью мониторинга электрических параметров трехфазной электросети и связанного со средством подключения фаз электросети к нагрузке.

Кроме того, указанный технический результат достигается в частных формах реализации полезной модели за счет того, что:

- в качестве средства подключения фаз электросети к нагрузке установлен магнитный пускатель,

- в качестве выпрямителей контрольных цепей установлены диодные мосты,

- в качестве оптронов установлены аналоговые оптроны с высокой линейностью,

- микроконтроллер выполнен с возможностью управления по меньшей мере одним дополнительным электрическим устройством посредством установленного в микроконтроллере исполнительного реле или связанного с микроконтроллером внешнего оптического симистора,

- указанными дополнительными устройствами являются система вентиляции и/или система отопления.

Заявленное устройство для управления трехфазными электросетями позволяет осуществлять контроль параметров трехфазной электросети и при ее неустойчивой работе отключать нагрузку, а также, при необходимости, позволяет управлять дополнительными устройствами.

В рассматриваемом устройстве гальваническая развязка контролируемых цепей силовой сети и измерительных цепей реализована за счет применения оптронов (оптопар). Это позволяет контролировать параметры силовых сетей без электрического контакта с внешней системой электроснабжения, что в свою очередь повышает общую надежность устройства и позволяет использовать его для управления электросетями, имеющими большие гармонические нелинейности.

На фиг.1 показана принципиальная схема оптрона. Оптрон имеет следующие контакты: 1 - анод, 2 - катод, 3 - эмиттер, 4 - коллектор, 5 - база.

Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу 6 с последующим преобразованием обратно в электрический сигнал. Оптическое преобразование сигнала позволяет максимально обезопасить измерительные цепи устройства перенапряжений, высоковольтных и высокочастотных гармонических составляющих электросети.

На фиг.2 и 3 схематично показана предпочтительная конструкция заявленного устройства для управления трехфазной электросетью.

Устройство включает три контрольные электрические цепи 7, каждая из которых имеет вывод для подключения к одной фазе и вывод для подключения к нейтральному токопроводу трехфазной электросети, и три измерительные электрические цепи 8. При этом каждая измерительная цепь 8 оптически связана с соответствующей контрольной цепью 7 посредством оптрона 9. Вход оптрона включен в соответствующую контрольную цепь 7 параллельно фазовому напряжению через высоковольные резисторы 10, служащие для ограничения входного напряжения на оптроне и выпрямитель 11 (диодный мост). Выход оптрона подключен в соответствующую измерительную цепь 8 и через операционный усилитель сигнала 12 (например, LM258) связан с соответствующим входом микроконтроллера 13. Микроконтроллер имеет следующие контакты (входы):

14 - фаза А,

15 - фаза В,

16 - фаза С,

17 - нейтраль,

18, 19 - питание внутренней схемы устройства,

20, 21, 22, 23 - реле пусковые,

24, 25, 26 - реле исполнительное,

27 - средства управления оптосимистором.

Микроконтроллер 13 связан со средством подключения (отключения) 28 фаз электросети к нагрузке 29 через пусковые реле 20, 21, 22, 23 (в качестве такого средства 28 может выступать, например, магнитный пускатель). При этом микроконтроллер 13 установлен с возможностью мониторинга (контроля) электрических параметров трехфазной электросети (контроль допустимого напряжения, контроль слипания, обрыва и перекоса фаз). В качестве оптронов 9 в заявленном устройстве могут быть использованы аналоговые оптроны с высокой линейностью (линейной выходной характеристикой), например, HCNR201. Это позволяет получить результирующий сигнал в измерительных цепях пропорционально точный по отношению сигналу в контрольной цепи и пригодный для дальнейшего усиления и обработки микроконтроллером.

Кроме того, в качестве дополнительной функции в заявленной конструкции может быть предусмотрена возможность управления дополнительными устройствами в автоматическом или ручном режиме (например, системами вентиляции и отопления помещения), посредством установленных в микроконтроллере 13 исполнительных реле 24-26 или связанного с микроконтроллером внешнего оптического симистора 30 (оптосимистора) управляемого средствами 27 в зависимости от показаний электронного датчика температуры 31. В ручном режиме управление осуществляется терминалом 32.

Устройство работает следующим образом

Электрический сигнал с каждой фазы контролируемой сети поступает в контрольные цепи 7, где он проходит через резистор 10 ограничивающий уровень входного напряжения, через выпрямитель 7, осуществляющий двухполупериодное выпрямление синусоиды измеряемого сигнала, и попадает на вход оптрона 9. После чего электрический сигнал преобразуется в оптический и передается на выход оптрона 9 измерительной цепи 8, где преобразуется обратно в электрический. Полученный оптически-преобразованный сигнал с выхода оптрона 9 через измерительную цепь 8 подается на операционный усилитель 12, который усиливает сигнал до эталонного входного уровня контроллера 13. Полученный сигнал с каждой измерительной цепи подается на соответствующие входы 14, 15, 16 контроллера 13, который непрерывно (с частотой 5000 Гц на один вход) оцифровывает каждую полуволну выпрямленного сигнала в пропорции входного амплитудного уровня с выхода операционного усилителя. Каждое полученное значение сравнивается с программными уставками допустимых максимальных и минимальных параметров сети и, если имеет место выход значений за эти уставки, контроллер 13 дает команду на отключение катушки внешнего магнитного пускателя 28 через перекидные контакты внутреннего пускового реле.

Далее по истечению установленного времени повторного включения (задается программно) производится пробное сканирование силовой сети и, если параметры сети восстановились, подается команда на включение катушки внешнего магнитного пускателя, который своими контактами подключает нагрузку 29. В противном случае процесс проверки повторяется циклично, вплоть до полного восстановления параметров сети.

При этом в устройстве параллельно основной функции может быть также реализована дополнительная функция управления другими устройствами, например системой вентиляции или отопления в зависимости от показания датчика температуры 31. При этом сигнал с датчика поступает в средства управления 27, которые дают команду оптосимистору 30 на подключение/отключение нагрузки 29. Управление также может осуществляться в ручном режиме с помощью терминала 32.

С учетом изложенного, в заявленном устройстве может осуществляться два независимых процесса:

- автоматический контроль и мониторинг трехфазной сети (контроль допустимого напряжения, обрыва, слипания и перекоса фаз),

- автоматическое (и, при необходимости, ручное) управление внутренним исполнительным реле или внешним оптосимистором (для управления дополнительными устройствами).

При этом заявленное устройство может быть конструктивно реализовано в виде печатной платы.

Таким образом, заявленное устройство характеризуется повышенной надежностью работы, и обеспечивает безопасное функционирование силовых трехфазных электросетей.

Следует отметить, что заявленная полезная модель не ограничена частными случаями ее реализации, раскрытыми в описании. Возможны также иные формы исполнения рассмотренного устройства в объеме приведенных существенных признаков заявленной полезной модели.

1. Устройство для автоматизированного управления трехфазной электросетью, содержащее три контрольные электрические цепи, каждая из которых имеет вывод для подключения к одной фазе и вывод для подключения к нейтральному токопроводу трехфазной электросети, и три измерительные электрические цепи, каждая из которых оптически связана с соответствующей контрольной цепью посредством оптрона, вход которого подключен в соответствующую контрольную цепь через резисторы и выпрямитель, а выход подключен в соответствующую измерительную цепь и через усилитель сигнала связан с соответствующим входом микроконтроллера, установленного с возможностью мониторинга электрических параметров трехфазной электросети и связанного со средством подключения фаз электросети к нагрузке.

2. Устройство по п.1, в котором в качестве средства подключения фаз электросети к нагрузке установлен магнитный пускатель.

3. Устройство по п.1, в котором в качестве выпрямителей контрольных цепей установлены диодные мосты.

4. Устройство по п.1, в котором в качестве оптронов установлены аналоговые оптроны с высокой линейностью.

5. Устройство по п.1, в котором микроконтроллер выполнен с возможностью управления по меньшей мере одним дополнительным электрическим устройством посредством установленного в микроконтроллере исполнительного реле или связанного с микроконтроллером внешнего оптического симистора.

6. Устройство по п.6, в котором указанными дополнительными устройствами являются система вентиляции и/или система отопления.