ЗАЩИТНОЕ  УСТРОЙСТВО  ЭЛЕКТРОСЧЕТЧИКА

Смирнова  Татьяна  Валерьевна

студент  2  курса,  кафедра  технико-технологических  дисциплин  ВлГУ,  РФ,  г.  Владимир

E -mail:  ttd.tef@vlsu.ru

Шарыгин  Лев  Николаевич

научный  руководитель,  конд.  техн.  наук,  профессор  ВлГУ,  РФ,  г.  Владимир

Известен  ряд  устройств  для  анализа  качества  потребляемой  энергии,  в  том  числе  содержащих  блоки  защиты  потребителей  от  перегрузки  по  току  или  напряжению.  Исходя  из  того,  что  защита  потребителя  от  превышения  параметров  питания  эффективнее  по  напряжению,  чем  по  току,  следует  рассматривать  конструкции,  реализующие  этот  принцип.  С  позиций  эффективности  необходимо  учесть  влияние  сложности  на  конечный  результат.  Обратимся  к  известным  техническим  решениям.

Статистический  анализатор  качества  параметров  электрической  энергии  [2]  состоит  из  преобразователя  входного  сигнала  в  постоянное  напряжение,  многопредельного  блока  сравнения  с  n  выходами,  n  каналов  коммутаторов,  блока  управления,  блока  статистической  обработки,  причем  выход  преобразователя  входного  сигнала  в  постоянное  напряжение  соединен  со  входом  многопредельного  блока  сравнения,  выходы  которого  подсоединены  к  входам  коммутаторов,  другие  входы  которых  соединены  с  выходом  блока  управления,  выходы  счетчиков  подключены  к  входам  блока  статистической  обработки.  Устройство  определения  качества  потребленных  коммунальных  услуг  [3]  дополняют  предыдущее  решение  входные  регистры  и  схема  совпадения,  шина  данных,  регистры  памяти  и  микроконтроллер.

Устройство  [1]  содержит  датчик  тока,  нагрузку,  перемножитель  тока  на  напряжение,  преобразователь  тока  в  частоту  импульсов,  трансформатор  тока  с  двумя  первичными  обмотками  и  одной  вторичной,  выпрямитель,  реле  защиты,  фазный  и  нулевой  проводники.

Как  показывают  краткие  описания  известных  устройств,  они  достаточно  сложны,  предусматривают  применение  нетехнологичных  специализированных  трансформаторов. 

Рисунок  1.  Электрическая  принципиальная  схема  защитного  устройства  электросчетчика

Предлагаем  простое  техническое  решение  устройства  защиты  потребителя  электроэнергии  от  перегрузки  по  напряжению  —  см.  рис.  1.  В  основе  устройства  лежит  электромеханическое  реле  P,  обмотка  которого  включена  в  цепь  коллектора  электронного  ключа  на  основе  транзистора  VT.  Нормально  разомкнутые  контакты  S1  и  S2  находятся  в  цепи  нагрузки  (потребителя)  H,  а  третий  нормально  разомкнутый  контакт  S3  —  в  цепи  самоблокирования  реле.  Сигнал  управления  на  базу  ключевого  транзистора  VT  формируется  из  фазного  напряжения  сети  уменьшенного  делителем  R1-R2  и  постоянного  опорного  напряжения  U₀.  Опорное  напряжение  создается  стабилитроном  VD5,  обратный  ток  которого  устанавливается  резистором  R3.  Питание  стабилитрона  обеспечивает  диодный  мост  на  выпрямительных  диодах  VD1-VD4.  Для  снижения  пульсаций  выпрямленного  напряжения  применен  конденсатор  C1.  Поскольку  общее  электропотребление  устройства  защиты  мало  —  несколько  миллиампер,  —  то  возможно  бестрансформаторное  питание.  Развязку  с  фазным  напряжением  обеспечивает  конденсатор  C3.

Рисунок  2.  Принцип  получения  управляющего  сигнала

Рассмотрим  работу  защитного  устройства.  В  исходном  состоянии  транзистор  VT  открыт,  поскольку  базовый  делитель  R5-R6  задает  ток  базы  транзистора  не  менее  I_{δ  нас}.  На  рис.  3  с  участием  выходных  характеристик  транзистора  построена  нагрузочная  прямая,  соединяющая  на  абсциссе  (напряжение  коллектор-эмиттер  U_кэ)  точку  напряжения  питания  каскада  U_o  и  на  ординате  I_к  точку  предельного  тока  коллектора  равную  отношению  напряжения  питания  каскада  U_o  к  коллекторной  нагрузке,  т.  е.  к  сопротивлению  обмотки  реле  R_к.  На  рис.  3  исходному  режиму  насыщения  соответствует  точка  С  на  нагрузочной  прямой.  При  этом  через  обмотку  реле  P  протекает  ток  I_{к  нас}.  Этот  ток  удерживает  нормально  разомкнутые  контакты  S₁-S₃  в  замкнутом  состоянии,  следовательно  нагрузка  Н  подключена  к  напряжению  сети.  Заметим,  что  резистор  R7  в  эмиттерной  цепи  транзистора  выполняет  функцию  сопротивления  обратной  связи  каскада  и  обеспечивает  стабильность  режима  в  функции  температуры.  В  исходном  состоянии  напряжение  коллектор-эмиттер  U_{кэ  нас}  достаточно  мало.

Рассмотренное  состояние  электронного  ключа  будет  сохраняться  до  тех  пор,  пока  амплитуда  фазного  напряжения  сети  (точка  Ф  по  рис.  1)  не  превысит  наперед  заданного  уровня.  Принцип  получения  управляющего  сигнала  иллюстрируется  рис.  2,  где  выделен  фрагмент  схемы  рис.  1.  В  точку  А  схемы  каждый  период  фазного  напряжения  сети  поступает  отрицательная  полуволна  напряжения  U_А.  Амплитуда  полуволны  фазного  напряжения  уменьшена  делителем  R₁-R₂,  а  положительная  полуволна  отсекается  выпрямительным  диодом  VD6.  Происходит  сравнение  амплитуды  фазного  напряжения  U_A  c  опорным  напряжением  U_o  ,  которое  обеспечивает  стабилитрон  VD5.  Если  напряжение  U_A  превысит  опорный  уровень  U_o,  то  в  точке  В  схемы  появится  разностный  импульс  U_B.  Для  наглядности  на  рис.  2-в  этот  импульс  заштрихован.  Подчеркнем,  что  сравнение  происходит  на  отрицательных  потенциалах.

Рисунок  3.  Нагрузочная  характеристика  электронного  ключа

Обратимся  к  электронному  ключу.  Выделенный  отрицательный  импульс  U_В  через  разделительный  конденсатор  С2  поступает  на  эмиттер  транзистора  VT  и  понижает  его  потенциал  по  отношению  к  потенциалу  общей  шины,  что  эквивалентно  повышению  потенциала  базы  транзистора.  Повышенный  потенциала  базы  для  транзистора  проводимости  p-n-p  является  запирающим,  следовательно,  так  базы  скачком  уменьшается  до  уровня  I_δ  ≈  0  (см.  рис.  3)  и  транзистор  на  время  рассматриваемого  импульса  U_В  переходит  из  режима  насыщения  в  режим  отсечки  —  точка  D  на  нагрузочной  прямой,  при  этом  ток  коллектора  транзистора  принимает  значение  I_ко.  Этот  ток  меньше  тока  удержания  электромеханического  реле  Р.  Реле  переключается  и  его  контакты  S₁—S₂  отключают  нагрузку  Н.  Одновременно  контактом  S₃  отключается  цепь  питания  электронного  ключа.

После  устранения  неисправностей  в  питающей  сети  защитное  устройство  включают  нажатием  кнопки  Кн,  которая  подает  питание  на  электронный  ключ,  и  защитное  устройство  возвращается  в  исходное  состояние. 

Таким  образом,  предлагаемое  защитное  устройство  предельно  просто,  не  содержит  сложных  и  дорогих  комплектующих,  не  предусматривает  особых  затрат  на  обслуживание  в  процессе  эксплуатации.

Список  литературы:

1.Счетчик  электрической  энергии  с  защитным  отключением.  Патент  RU2498322,  МПК  G01R  11/00.  Опубл.  10.11.2013.

2.Статистический  анализатор  качества  параметров  электрической  энергии.  Авт.  свид.  SU1223156,  МПК  G01R  21/00.  Опубл.  07.04.1986.

3.Устройство  для  определения  качества  коммунальных  услуг.  Патент  RU2408892,  МПК  G01R  21/00.  Опубл.  10.01.2011.