Пороговое устройство контроля переменного тока

Полезная модель является прибором контроля переменного тока, который не требует использования специальных измерительных датчиков и не нуждается при измерениях в дополнительном источнике электропитания, обеспечивая при этом высокую чувствительность контроля токов от 0,1 A.

Пороговое устройство контроля переменного тока состоит из трансформатора переменного тока, через сердечник которого пропускается шина с контролируемым переменным током; резистора, шунтирующего выходную обмотку этого трансформатора, сопротивление которого определяет опорное напряжение срабатывания порогового устройства; выпрямительного блока, преобразующего переменное напряжение в постоянное; полупроводникового порогового элемента, срабатывающего при отклонении значения выпрямленного (и при необходимости - усиленного) контролируемого сигнала от опорного напряжения.

В качестве полупроводникового порогового элемента может использоваться твердотельное реле или полевой транзистор с изолированным затвором. В последнем случае выпрямитель выполняется по схеме умножителя напряжения для увеличения чувствительности порогового устройства.

Сущность полезной модели заключается в отсутствии внешнего источника питающего напряжения. Вместо него питание схемы организовано от напряжения, наведенного током контролируемого проводника в обмотке трансформатора тока.

Область техники

Полезная модель относится к приборам, созданным на базе пороговых реле для контролирования в электрической цепи наличия переменного тока.

Уровень техники

Известны разновидности датчиков тока, используемые в качестве пороговых элементов, выключающие силовые электрические цепи при достижении током определенного заранее заданного значения.

Выпускаются токовые реле прямого действия, мгновенные типа РТМ и с ограниченной зависимой характеристикой. Они отличаются простотой, небольшой стоимостью и представляют собой электромагнитное реле с втягивающимся якорем. К недостаткам таких реле относятся большие выдержки времени, низкая точность установки порога срабатывания, значительные габариты и энергопотребление. Н.В. Чернобровов, В.А Семенов. «Релейная защита энергетических систем», Энергоатомиздат. 1988. стр.223-224.

В качестве токовой защиты используются также автоматические выключатели с тепловыми элементами. В.И.Гуревич. «Электрические реле». М. Солон-пресс. ДМК-пресс. 2011. стр.244-249. В них как правило биметаллический тепловой элемент дополнен встроенным электромагнитом с катушкой. Этот вид реле имеет те же недостатки, что и электромагнитные реле, и особенно большую инерционность. Применение всех упомянутых решений затруднено также вследствие больших энергозатрат на переключение реле.

Наиболее малогабаритными, высоконадежными, точными и дешевыми являются пороговые реле с использованием полупроводниковых приборов, в частности, включающих в себя, в качестве входного чувствительного устройства, датчиков Холла. Это, например, датчики тока серии CSDA фирмы HONEYWELL. Структура этих датчиков включает в себя магнитопровод и датчик Холла с логическим выходом. Логическое состояние на выходе датчика изменяется при превышении одного из установленных пороговых значений. Порог срабатывания определяется числом витков измеряемого проводника вокруг датчика.

Наиболее подробная схема такого порогового токового реле на датчике Холла приведена в опубликованной заявке на патент США 20110228433. Эта схема принимается за прототип. Согласно принципиальной схеме аналога пороговое токовое реле состоит из датчика Холла, фильтра и компаратора, соединенных последовательно, и блока опорного напряжения, подающего сигнал на компаратор, где производится его сравнение с отфильтрованным сигналом от датчика Холла. При совпадении этих сигналов компаратор вырабатывает сигнал управления, передаваемый драйверу устройства размыкания цепи. Для электропитания датчика Холла в составе схемы реле имеются блоки преобразования напряжения.

Недостатком прототипа является наличие сложного дорогого датчика Холла и необходимость дополнительного источника электропитания для его электроснабжения.

Целью создания полезной модели является создание более простого устройства, не требующего при измерениях дополнительного источника электропитания, обеспечивающего контроль токов в широком диапазоне значений.

Раскрытие полезной модели

Пороговое устройство контроля переменного тока включает в себя следующие компоненты:

- трансформатор переменного тока, исполняющий роль датчика,

- резистор, шунтирующий выходную обмотку, сопротивление которого определяет установленный порог срабатывания реле;

- выпрямительный блок, преобразующий переменное напряжение в постоянное;

- полупроводниковый пороговый элемент (по сути - компаратор), сравнивающий входное напряжение с опорным, и выдающий на выходе импульсный сигнал при отклонении значения входного сигнала от опорного.

В качестве полупроводникового порогового элемента может использоваться твердотельное реле или полевой транзистор с изолированным затвором. В последнем случае выпрямитель выполнен по схеме умножителя напряжения для усиления сигнала, полученного от датчика и, соответственно, увеличения чувствительности всего устройства.

Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке. Первичной обмоткой является проводник с контролируемым током.

Величина сопротивления резистора, подключенного параллельно вторичной обмотке, определяет величину опорного напряжения, которое поступает на вход порогового элемента через выпрямительный блок. При превышении уровня входного сигнала выше заданного, проводимость порогового элемента скачкообразно меняется. Это свойство позволяет сформировать на выходе порогового элемента импульс, который может подаваться на вход любого контролирующего устройства, подключаемого к выходным клеммам порогового элемента управляющий индикаторным или иным устройством.

Чувствительность предлагаемого устройства может быть достаточно высокой и определяется схемным решением выпрямительного блока.

При индикации малых токов (0,1-3,0 A) выпрямительный блок может быть реализован в виде классического умножителя напряжения, включающего в себя также выпрямитель и сглаживающий конденсатор.

Для контроля более сильных токов(от 3 A и выше) выпрямительный блок может быть реализован на простом диодном выпрямительном мосте и конденсаторе на его выходе для сглаживания пульсаций.

Сущность полезной модели заключается в отсутствии внешнего источника питающего напряжения. Вместо него питание схемы организовано от напряжения, наведенного током контролируемого проводника в обмотке трансформатора тока.

Таким образом, предлагаемая полезная модель не нуждается при измерениях в дополнительном источнике электропитания, обеспечивая при этом высокую чувствительность при контроле даже очень небольших токов (от 0,1 A).

Графические иллюстрации

Фиг.1 Структурная схема порогового устройства для контроля переменного тока.

Фиг.2 Пример выполнения порогового устройство для контроля переменного тока с использованием твердотельного реле.

Фиг.3 Пример выполнения порогового устройства для контроля переменного тока с использованием полевого транзистора.

Осуществление полезной модели

Структурная схема порогового устройства для контроля переменного тока (фиг.1) содержит: трансформатор тока 1, выпрямительное устройство (ВУ) 2, на выходе которого подсоединен сглаживающий конденсатор 3, полупроводниковый пороговый элемент 4, на выходе которого имеются клеммы 5 для подключения внешнего контролирующего прибора (Фиг.1).

Трансформатор тока 1, исполняющий роль датчика тока, выполнен на тороидальном сердечнике из аморфного железа. Проводник с контролируемым током, размещаемый внутри сердечника, является первичной обмоткой трансформатора. Вторичная обмотка трансформатора тока зашунтирована резистором 6, служащим задатчиком уровня опорного сигнала. Изменяя величину сопротивления этого резистора, можно изменять порог срабатывания полупроводникового порогового элемента 4.

В примере выполнения порогового устройства (Фиг.2), пригодного для контроля токов величиной от 3 A, в качестве полупроводникового порогового элемента использовано твердотельное реле 7 (типа КР293КП9А с оптической развязкой входа и выхода) с диодной защитой (схема защиты по току 8) по входу от предельных токов.

В примере выполнения порогового устройства (Фиг.3), пригодного для контроля токов величиной от 0,1 A (Фиг.3), в качестве полупроводникового порогового элемента использован полевой транзистор 9 с изолированным затвором и индуцированным каналом, включенный по схеме с общим истоком (например IRLL014N). Выход транзистора защищен диодом 10 для защиты от бросков тока (в IRLL014N диод встроенный). Выпрямительный блок в этом случае выполнен по схеме умножителя напряжения 11 на восьми диодах Шоттки.

Конструктивно пороговое устройство для контроля переменного тока может быть реализовано на печатной плате, а трансформатор тока выполнен в виде кольцевого магнитопровода с обмоткой, внутри которого размещается контролируемая токовая шина.

Пороговое устройство для контроля переменного тока работает следующим образом. Контролируемый переменный ток протекает по шине, проходящей через сердечник трансформатора тока 1, генерирует переменное напряжение во вторичной обмотке трансформатора на шунтирующем резисторе 6. Это переменное напряжение преобразуется в постоянное - на выпрямительном блоке 2 и затем поступает на полупроводниковый пороговый элемент 3. Сопротивление резистора 6 определяет величину опорного напряжения для полупроводникового порогового элемента (т.е. определяет его порог срабатывания). При изменении контролируемого тока (например, при обрыве цепи) изменяется уровень входного сигнала, поступающего через выпрямительный блок 2 на вход полупроводникового порогового элемента 3 (с какого-то значения до 0), что приводит к резкому изменению проводимости порогового элемента и формированию импульсного выходного сигнала на выходных клеммах 5 (поступающего на внешнее устройство индикации или контроля).

В качестве внешнего устройства может быть любой индикатор, например, лампочка, или более сложное устройство - регистрирующий компьютерный блок.

Схема на диодах 8 (фиг.2) обеспечивает защиту от перегрузки по току входа полупроводникового порогового элемента.

При контролировании малых токов от 01, до 3 A (фиг.3) сигнал выпрямляется и усиливается умножителем напряжения 11, коэффициент усиления которого определяет чувствительность устройства. Усиленный сигнал поступает на затвор полевого транзистора 9 с изолированным затвором. При достижении напряжения на затворе уровня срабатывания, происходит скачкообразное изменение сопротивления канала сток-исток полевого транзистора. Диод 10 шунтирует нежелательные броски обратного тока при работе устройства с индуктивной нагрузкой. Это решение путем подбора параметров умножителя напряжения 11 позволяет улавливать даже очень малые изменения контролируемого тока.

В настоящее время изготовлены и прошли успешные испытания опытные образцы пороговых устройств контроля переменного тока на основе предлагаемой полезной модели.

1. Пороговое устройство контроля переменного тока, содержащее датчик тока, задатчик опорного сигнала, компаратор, выходные клеммы для подключения внешнего устройства, работающего по сигналу от компаратора, отличающееся тем, что датчиком тока служит трансформатор переменного тока, вторичная обмотка которого зашунтирована резистором, являющимся задатчиком опорного напряжения, в качестве компаратора использован полупроводниковый пороговый элемент, а между трансформатором переменного тока и полупроводниковым пороговым элементом включен выпрямительный блок со сглаживающим конденсатором на своем выходе.

2. Пороговое устройство по п.1, отличающееся тем, что выпрямительный блок представляет собой полупроводниковый мост, а в качестве полупроводникового порогового элемента использовано твердотельное реле.

3. Пороговое устройство по п.1, отличающееся тем, что выпрямительный блок выполнен в виде умножителя напряжения, а полупроводниковый пороговый элемент выполнен в виде полевого транзистора с изолированным затвором.