RU2095906C1

RU2095906C1 - Surge voltage protection device for ac mains loads

Info

Publication number: RU2095906C1
Application number: RU96114847A
Authority: RU
Inventors: Виталий Николаевич Кресяк; Сергей Витальевич Кресяк
Original assignee: Виталий Николаевич Кресяк; Сергей Витальевич Кресяк
Priority date: 1996-07-23
Filing date: 1996-07-23
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: device has threshold element connected to final element. The latter also functions as protective gear and has power triac whose gate electrode is connected to anode through diode bridge with field-effect transistor connected across diagonally opposite terminals of bridge, transistor gate being connected to switching stage transistor collector incorporating in its base circuit series-interconnected resistor and voltage regulator diode connected to source of field-effect transistor and its emitter is connected to storage capacitor and threshold element both interconnected in parallel and connected to supply voltage rectifier built around diode through resistor. EFFECT: improved reliability and overcurrent and overvoltage capacity, minimal power loss at load, provision for surge-voltage protection during first ON-operation. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим сетям переменного тока, в которых могут возникать перенапряжения при нормальном режиме работы системы электроснабжения или в результате аварии, и используется для защитного отключения потребителя при превышении напряжения сверх установленного значения. The invention relates to electrical engineering, in particular to alternating current electric networks, in which overvoltages can occur during normal operation of the power supply system or as a result of an accident, and is used for protective shutdown of the consumer when the voltage exceeds the set value.

Известны устройства защиты потребителя от перенапряжений, содержащие пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, выполненный из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, которые шунтируют потребителя в случае перенапряжения, а в питающей сети наступает режим короткого замыкания, в результате чего срабатывают аппараты защиты от короткого замыкания [1]
Однако для восстановления работоспособности устройства необходимо заменять предохранители или включать аппарат защиты. В результате этого происходит значительная потеря информации.Known devices for protecting consumers from overvoltages, containing a threshold element and an actuator connected to it, made of two counter-parallel connected thyristors, which bypass the consumer in case of overvoltage, and a short circuit occurs in the mains, as a result of which short-circuit protection devices are triggered short circuits [1]
However, to restore the device’s performance, it is necessary to replace the fuses or turn on the protection device. As a result of this, a significant loss of information occurs.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является устройство для защиты электропотребителя от перенапряжений, содержащее пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, выполненный из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, имеющее трансформатор, согласующие тиристоры и защитные встречно-параллельно соединенные тиристоры, включенные последовательно с потребителем электроэнергии [2] При возрастании напряжения в питающей сети до предельной величины с выхода порогового элемента выдается сигнал на управляющие электроды тиристоров, которые отпираются и шунтируют вторичную обмотку трансформатора. При этом уменьшается напряжение, поступающее на управляющие электроды согласующих тиристоров, которые запираются, а следовательно запираются и защитные тиристоры, а напряжение в питающей сети потребителя снижается до нуля. После снижения питающего напряжения работоспособность потребителя автоматически восстанавливается. The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed device is a device for protecting the consumer from overvoltage, containing a threshold element and an actuator connected to it, made of two counter-parallel connected thyristors, having a transformer, matching thyristors and protective counter-parallel connected thyristors connected in series with the consumer of electricity [2] When the voltage in the supply network increases to the maximum output value thresholds of element signal is output to the control electrodes of the thyristors which are unlocked and bypass the secondary winding of the transformer. This reduces the voltage supplied to the control electrodes of the matching thyristors, which are locked, and consequently, the protective thyristors are locked, and the voltage in the consumer’s mains is reduced to zero. After reducing the supply voltage, the consumer’s performance is automatically restored.

Недостатки такого устройства наличие трансформатора, работающего при срабатывании защиты в режиме максимальной нагрузки, что снижает надежность и ограничивает возможность работы устройства при многократном повышении напряжения питающей сети. При первоначальном подключении к сети с повышенным напряжением к потребителю поступает как минимум один полупериод повышенного напряжения сети, так как пороговый элемент срабатывает при достижении заданной величины напряжения, в то время как защитные тиристоры уже открыты управляющим током, и это может привести к выходу из строя потребителя при значительных перенапряжениях сети. Питание цепей управления защитных тиристоров пониженным напряжением сети от трансформатора снижает скорость нарастания тока на управляющих электродах, что приводит к некоторой задержке включения тиристоров в каждой полупериоде напряжения сети, а это приводит к потере мощности на потребителе. The disadvantages of such a device are the presence of a transformer that operates when the protection is activated in maximum load mode, which reduces reliability and limits the ability of the device to work with a multiple increase in the supply voltage. Upon initial connection to a network with an increased voltage, at least one half-period of an increased voltage of the network is supplied to the consumer, since the threshold element is triggered when the specified voltage is reached, while the protective thyristors are already open by the control current, and this can lead to consumer failure with significant network overvoltages. The supply of control circuits of protective thyristors with a reduced network voltage from a transformer reduces the rate of rise of current at the control electrodes, which leads to a certain delay in the thyristors being turned on in each half-period of the network voltage, and this leads to a loss of power at the consumer.

Технической задачей изобретения является повышение надежности, коммутируемой мощности, перегрузочной способности по напряжению, снижение потерь мощности на потребителе и защите его при первоначальном подключении к сети с повышенным напряжением. An object of the invention is to increase reliability, switching power, overload capacity in voltage, reduce power loss at the consumer and protect it when initially connected to a network with high voltage.

Техническая задача решается тем, что в устройстве для защиты потребителя от перенапряжений в сетях переменного тока, содержащем пороговый элемент и подключенный к нему исполнительный орган, новым является то, что исполнительный орган служит одновременно защитным устройством и состоит из силового симистора, управляющий электрод которого соединен с анодом через диодный мост с полевым транзистором, включенным в диагональ моста, затвор которого подключен к коллектору транзистора ключевого каскада, имеющего в цепи базы последовательно включенные резистор и стабилитрон, соединенные с истоком полевого транзистора, а его эмиттер подключен к накопительному конденсатору и пороговому элементу, включенными параллельно и соединенными через резистор с выпрямителем сетевого напряжения на диоде. The technical problem is solved in that in the device for protecting the consumer from overvoltage in AC networks containing a threshold element and an actuator connected to it, it is new that the actuator serves both as a protective device and consists of a power triac, the control electrode of which is connected to anode through a diode bridge with a field effect transistor included in the diagonal of the bridge, the gate of which is connected to the collector of the transistor of the key stage, which has li ne resistor and zener diode connected to the source of the FET, and its emitter connected to a storage capacitor and a threshold element, connected in parallel and connected through a resistor to the mains voltage rectifier diode.

Проведенные патентные исследования подтверждают новизну, изобретательский уровень и промышленную применимость заявленного решения. При этом достигаются повышенная надежность и перегрузочная способность по напряжению из-за отсутствия трансформатора, работающего в режиме максимальной нагрузки при повышенном напряжении сети, потери мощности на потребителе минимальны за счет высокой скорости нарастания тока управления силового симистора путем приложения полного напряжения сети между его анодом и управляющим электродом. Кроме того, защита от перенапряжения при первоначальном подключении к сети с повышенным напряжением осуществляется за счет превышения времени заряда накопительного конденсатора над временем открытия симистора на каждом полупериоде сетевого напряжения. The conducted patent studies confirm the novelty, inventive step and industrial applicability of the claimed solution. At the same time, increased reliability and voltage overload capacity are achieved due to the absence of a transformer operating in maximum load mode with increased mains voltage, the power loss at the consumer is minimal due to the high slew rate of the control current of the power triac by applying the full voltage of the network between its anode and the control electrode. In addition, overvoltage protection during initial connection to a network with an increased voltage is carried out by exceeding the charging time of the storage capacitor over the opening time of the triac on each half-period of the mains voltage.

На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого устройства. The drawing shows an electrical diagram of the proposed device.

Устройство для защиты потребителя от перенапряжений в сетях переменного тока содержит потребитель электроэнергии 1, исполнительный орган, являющийся одновременно защитным устройством, состоящий из силового симистора 2, управляющий электрод которого соединен с анодом через диодный мост с диодами 3, 4, 5, 6 и мощным высоковольтным полевым транзистором 7, включенным в диагональ моста. Затвор этого транзистора соединен с истоком через резистор 8, а также подключен к коллектору транзистора 9 ключевого каскада, база которого через резистор 10 и стабилитрон 11 соединен с истоком транзистора 7, а между эмиттером и истоком включены параллельно накопительный конденсатор 12 и пороговый элемент 13. Выпрямитель сетевого напряжения на диоде 14 через токоограничительный резистор 15 соединен с эмиттером транзистора 9. A device for protecting consumers from overvoltage in AC networks contains an electricity consumer 1, an actuator, which is also a protective device, consisting of a power triac 2, the control electrode of which is connected to the anode through a diode bridge with diodes 3, 4, 5, 6 and a powerful high-voltage field-effect transistor 7 included in the diagonal of the bridge. The gate of this transistor is connected to the source through the resistor 8, and is also connected to the collector of the transistor 9 of the key stage, the base of which is connected through the resistor 10 and the zener diode 11 to the source of the transistor 7, and a storage capacitor 12 and a threshold element 13 are connected in parallel between the emitter and the source. the mains voltage on the diode 14 through a current-limiting resistor 15 is connected to the emitter of the transistor 9.

Устройство работает следующим образом. При подключении к сети с нормальным напряжением, недостаточным для срабатывании порогового элемента 13, происходит зарядка накопительного конденсатора 12 положительным напряжением через резистор 15 от выпрямителя сетевого напряжения на диоде 14, и при достижении напряжения пробоя стабилитрона 11 транзистор 9 открывается и затвор транзистора 7 подключается к конденсатору 12, при этом транзистор 7 открывается положительным напряжением, приложенным между истоком и затвором. Управляющий электрод симистора 2 через диодный мост 3, 4, 5, 6 и открытый транзистор 7 оказывается соединенным с анодом, в результатом потребитель электроэнергии 1 подключается к электросети. При этом скорость нарастания тока управления максимальна, так как до открытия симистора 2 между анодом и управляющим электродом в начале каждого полупериода приложено полное напряжение сети, а сопротивления катод-управляющий электрод симистора 2 и переход сток-исток полевого транзистора 7 в открытом состоянии малы, что приводит к минимуму время включения симистора в начале каждого полупериода сети, а следовательно, к минимальным потерям мощности на потребителе, близким к теоретически возможным. При открытии симистора 2 ток управления падает практически до нуля, так как напряжение между катодом и анодом очень мало. Полевой транзистор 7 постоянно открыт положительным напряжением на накопительном конденсаторе 12. При возрастании напряжения сети выше предельного пороговый элемент 13 разряжает накопительный конденсатор 12 до нуля, что приводит к закрытию транзистора 7 и силового симистора 2, и потребитель 1 отключается от питающей сети, при этом предельное напряжение может многократно перемешивать номинальное напряжение сети и ограничено напряжением пробоя силового симистора 2, полевого транзистора 7 и диодов 3, 4, 5, 6. The device operates as follows. When connected to a network with a normal voltage insufficient to trigger the threshold element 13, the storage capacitor 12 is charged with a positive voltage through a resistor 15 from the mains voltage rectifier on the diode 14, and when the breakdown voltage of the zener diode 11 is reached, the transistor 9 opens and the gate of the transistor 7 is connected to the capacitor 12, while the transistor 7 is opened by a positive voltage applied between the source and the gate. The control electrode of the triac 2 through the diode bridge 3, 4, 5, 6 and the open transistor 7 is connected to the anode, as a result, the consumer 1 is connected to the mains. In this case, the slew rate of the control current is maximum, since before the opening of the triac 2 between the anode and the control electrode, the full mains voltage is applied at the beginning of each half-cycle, and the resistance of the cathode-control electrode of the triac 2 and the drain-source transition of the field effect transistor 7 are small, which minimizes the turn-on time of the triac at the beginning of each half-cycle of the network, and therefore, to the minimum power loss at the consumer, close to theoretically possible. When the triac 2 is opened, the control current drops to almost zero, since the voltage between the cathode and the anode is very small. The field-effect transistor 7 is constantly open by a positive voltage on the storage capacitor 12. As the voltage of the network rises above the limit, the threshold element 13 discharges the storage capacitor 12 to zero, which leads to the closure of the transistor 7 and power triac 2, and the consumer 1 is disconnected from the supply network, while the limit the voltage can repeatedly mix the rated voltage of the network and is limited by the breakdown voltage of the power triac 2, field-effect transistor 7 and diodes 3, 4, 5, 6.

При первоначальном подключении к сети с повышенным напряжением силовой симистор 2 закрыт, так как время заряда накопительного конденсатора 12, а следовательно, и открытия полевого транзистора 7, многократно превышает время срабатывания порогового элемента 13, при этом пороговый элемент 13 разряжает конденсатор 12, и потребитель 1 защищен от перенапряжения. When initially connected to a network with an increased voltage, the power triac 2 is closed, since the charge time of the storage capacitor 12, and therefore the opening of the field effect transistor 7, is many times longer than the response time of the threshold element 13, while the threshold element 13 discharges the capacitor 12, and the consumer 1 surge protected.

Таким образом, при использовании данного устройства достигаются повышенная надежность и перегрузочная способность по напряжению и току, минимальные потери мощности на потребителе, защита от перенапряжения при первоначальном включении. Thus, when using this device, increased reliability and overload capacity in terms of voltage and current, minimal power loss at the consumer, and overvoltage protection upon initial start-up are achieved.

Claims

A device for protecting the consumer from overvoltage in AC networks, containing a threshold element and an actuator connected to it, characterized in that the actuator, which is also a protective device, consists of a power triac, the control electrode of which is connected to the anode through a diode bridge with a field-effect transistor included in the diagonal of the bridge, the gate of which is connected to the collector of the transistor of the key stage, which has a resistor and a zener diode in series in the base circuit, Inonii with the source of the FET, and its emitter connected to a storage capacitor and a threshold element, connected in parallel and connected through a resistor to the mains voltage rectifier diode.