Отсекатель. Защитись от лишнего напряжения.

artem · 26.10.2007 20:18:23

ОТСЕКАТЕЛЬ.

Работа устройства.

Сетевое напряжение поступает на клеммы «Вход» и через фильтр TV1C3 – на конденсаторный двуполярный источник питания С4, C5, С8, VD2, VD3 и VD8, VD14, С6, С10. Выбор стабилитронов VD2, VD3 с различным напряжением стабилизации позволяет сформировать напряжения питания, необходимые измерительно-логической части – +10 и исполнительного узла – -18 В. Узел синхронизации R10, VT1, VT2, VD15, R12 формирует импульсы, фронты которых синхронны с началом «положительного» полупериода сетевого напряжения и служат для запуска ждущего мультивибратора и считывания триггером DD3.2 состояния входа D. Ждущий мультивибратор R15C12, DD1.1, DD1.2, R17R18C13 формирует импульсы, фронты которых сдвинуты на 5 мс относительно запускающих фронтов и синхронны с максимумом амплитуды «положительного» полупериода.

Измерительный делитель образован резисторами R24, R26, R29…R34. Лог. 1 на выходе компаратора нижнего уровня DA3.1 устанавливается при амплитуде сетевого напряжения менее Uн.у.=корень квадрат190≈268,7 В, а на выходе компаратора верхнего уровня – при напряжении более Uв.у.=корень квадрат1902×245 В≈346,5 В.

С выхода ИМС DA2 снимается необходимое для работы компараторов термостабильное опорное напряжение +5,0 В. Для удобства расчёта делителя общее сопротивление R33, R34 выбрано равным 10,0 кОм. Смена уровней на выходе компаратора верхнего уровня DA3.2 от лог. 0 к лог. 1 произойдёт при 5,0 В на 10,0 кОм, ток делителя – 0,5 мА, отсюда общее сопротивление резисторов измерительного делителя – Rдел=346,5 В : 0,5 мА≈693 кОм.

Компаратор нижнего уровня DA3.1 срабатывает при амплитуде напряжения в сети +268,7 В и токе делителя Iдел=268,7 В : 693 кОма=0,388 мА. Суммарное сопротивление R31…R34=5,0 (В) : 0,388 мА ≈12,9 кОм. Из них R31+R32=12,9 – 10,0≈2,90 кОм.

Сопротивление резисторов верхнего плеча делителя R24+ R26+R29+R30=693 – 12,90≈680 кОм.

Расчёт основан на том предположении, что форма сетевого напряжения синусоидальна. При перегрузке трансформатора местной подстанции вершина синусоиды срезается. В таком случае пороги следует подобрать опытным путём.

Погрешность измерения сопротивления резисторов значения не имеет. Достаточно выдержать соотношение R31+R32/R33+R34, а пороги срабатывания установить подбором сопротивления резисторов R29, R30.

Данные от компараторов поступают на входы D «индикаторного» триггера DD4 для определения по свечению светодиодов HL1 и HL2 состояния сети, а через схему сложения VD16VD17R37 на вход D DD3.1 и запоминаются по фронту импульса ждущего мультивибратора – осц. 1, осц. 2, рис. 2а. Если сетевое напряжение находится в пределах нормы, лог. 0 с выхода триггера DD3.1 через R44 подан на вход R счётчика DD2 и разрешает ему счёт тактовых импульсов ждущего мультивибратора, поступающих на вход С через прямосмещённый переход VD19. Лог. 0 с выхода Q10 DD2 на входе S триггера DD5.1 разрешает ему преобразовывать лог. 0 со входа D по фронту импульса ждущего мультивибратора в лог. 1 на выходе. Это необходимо для установки по входу S лог. 0 на выходе DD3.2 и предотвращения его работы от DD3.1. Можно было просто инвертировать логический уровень выхода DD2 ко входу S DD3.2, но свободных инверторов поблизости не оказалось. Лог. 0 на выходах триггера DD3.2 и счётчика DD2 удерживают транзисторы VT5, VT6 закрытыми и запрещают работу исполнительного узла в течение времени предпусковой выдержки длительностью в 20,5 с.

В течение предпусковой выдержки 20,5 с лог. 0 с выхода Q10 DD2 разрешает по входу S DD5.2 работу узла проверки исправности симистора VS1. Для работы узла необходимо обеспечить прохождение тока 1 мА в цепи нагрузки. С этой же целью параллельно контактам К1.1 установлен R3. Проверка основана на том, что на «анодном», 1 выводе исправного симистора в моменты максимумов «положительного» полупериода присутствует некое положительное напряжение. R16R36 – согласующий делитель для входа D DD5.2; диоды VD18, VD21 – защитные. По фронту импульса ждущего мультивибратора на входе С DD5.2 считывается уровень входа D. Лог. 1 на этом входе – признак исправности симистора. Лог. 0 здесь же приводит к появлению лог. 1 на выходе триггера и, через VD23, на входе сброса R DD2. При этом счётчик обнуляется, счёт прекращается и включения нагрузки не произойдёт. Лог. 1 с выхода DD5.2 разблокирует через VD25 тональный генератор на DD1.3, DD1.4. Его сигнал промодулирован меандром с коллекторов VT1, VT2. Само по себе замыкание выводов 1 и 2 симистора не приводит к «несанкционированному» включению нагрузки благодаря последовательно включенным нормально разомкнутым контактам К1.1. Замыканием контактов SA2 «Отключение контроля симистора» можно отключить узел контроля симистора и разрешить работу отсекателя в условно-аварийном режиме.

Если в течение 20,5 с контролируемые величины находится в пределах нормы, на выходе Q10 DD2 появляется лог. 1, через резистор R39 запирает VD21 и поступление импульсов на вход С счётчика прекращается. Лог. 1 на входе S DD5.1 устанавливает на его инвертирующем выходе лог. 0. Это, в свою очередь, разрешает по входу S работу DD3.2 от DD3.1. После этого лог. 0 со входа D DD3.2 запоминается и инвертируется им по фронту импульса узла синхронизации VT1VT2 – осц. 3, рис. 2. Лог. 1 с выходов DD2 и DD3.2 через R45, R46 открывают VT5, VT6, включенные, для согласования уровней измерительно-логической и исполнительной частей отсекателя, по схеме с ОБ. Открываются VT3, VT4. Ток в цепи управляющего электрода симистора VS1 ограничен сопротивлением обмотки К2. Контакты К2.1 включают магнитный пускатель (контактор) К1, К1.1 и VS1 подключают нагрузку к сети. Для уменьшения влияния помех от нагрузки на работу отсекателя установлен фильтр TV2C2(С3). Отключение симистора происходит в момент перехода сетевого напряжения через ноль, поэтому контакты пускателя при отключении не подвергаются электродуговой эрозии. VD6, VD7, VD10, VD11 и FU1 предусмотрены для защиты схемы устройства на случай выхода из строя симистора и появления на его управляющем выводе сетевого напряжения. Тогда ток управляющего электрода будет замкнут на общий провод через диоды до момента перегорания предохранителя.

Процесс запуска после отключения повторяется в том же порядке. Это исключает работу защищаемой аппаратуры и оборудования в тяжёлом старт-стопном режиме.

Алгоритм работы измерительно-логической части отсекателя позволяет достичь высокого быстродействия. Если выход за пределы заданных значений придётся на «положительный» полупериод, команда на отключение нагрузки последует через 10 мс после его начала, если же на «отрицательный», то через 20 мс. В подобных аналоговых устройствах повышение быстродействия ухудшает помехоустойчивость; здесь же она обеспечена малой вероятностью одновременного совпадения времени прохождения импульса помехи с необходимым Uампл≈35 В и времени действия фронта импульса от ждущего мультивибратора – около 50 нс при Uпит=10 В, по данным автора, при скорости установления данных в ИМС К561ТМ2 – 25 нс, [Л]. Малая погрешность отработки порогов напряжения обусловлена термостабильностью Uвых ИМС DA2 и относительно небольшими Есм и Iвх DA3.

При необходимости работы в случае выхода критически важных узлов отсекателя из строя или при сетевом напряжении ниже нижнего порогового уровня предусмотрен выключатель SA1 «Принудительное включение».

Для повышения надёжности устройства функции некоторых элементов и узлов устройства дублированы. Несанкционированное включение нагрузки возможно только при маловероятном выполнении условия одновременной однонаправленной неисправности пар VS1 – К1.1, DD3 – DD3, VT3 – VT4, VT5 – VT6. Работа некоторых элементов, дублировать которые трудно или невозможно, контролируется с отключением нагрузки в случае обнаружения их неисправности.

Неисправность узла синхронизации и ждущего мультивибратора приведёт к отсутствию тактов на входе С DD2 и при запуске сделает невозможным включение нагрузки. После её включения неисправность может возникнуть в цепях пар VT1, VT2 и/или DD1.1, DD1.2, а также DA3.1, DA3.2 и/или DA2. При худшем одновременном совпадении повреждений и выходе сетевого напряжения за контролируемые пределы это приведёт к отказу устройства: установится ложный лог. 0 на входе D DD3.1, или при лог. 1 на входе состояние этого триггера не изменится ввиду отсутствия тактовой последовательности. Хотя само по себе это может и не привести выхода из строя защищаемой аппаратуры, техники и оборудования при нормальном напряжении в сети, приняты меры и против последствий этого маловероятного, но наихудшего совпадения.

Частота изменения логических уровней на входе D DD3.1 зависит от мгновенного значения и относительной полярности напряжения сети, рис. 2б. Эта особенность алгоритма работы устройства используется для контроля работы узлов сравнения и синхронизации. Если сетевое напряжение находится в заданных пределах, частота обновления данных на входе D DD3.1 Fобн равна 50 Гц: лог. 0 на выходе DA3.1 появляется на время Uампл. сети≥ +268 В, 2б – осц. 4, на выходе DA3.2 присутствует лог. 0, 2б – осц. 5. При сетевом напряжении, меньшем нижнего порогового, на выходе DA3.1 устанавливается лог. 1 и Fобн=0, 2б – осц. 6. При выходе напряжения за верхний пороговый уровень Fобн=100 Гц: на выходе DA3.1 лог. 1 присутствует при Uампл. сети≥ +268 В, 2б – осц. 7, на выходе DA3.2 – при Uампл. сети≥ +346 В, 2б – осц. 8.

Соответствие частот тактов и данных контролируется частотным компаратором DD6.1, DD6.2. Входы R и С счётчиков включены попарно так, что импульс, служащий тактовым для одного из счётчиков, для другого является сбрасывающим. С исчезновением тактовой частоты или с повышением частоты данных переполняется DD6.1. Меандр от выхода Q2 через VD24 прикладывается ко входу сброса DD2. С выходом из строя DA3 или уменьшением сетевого напряжения ниже нижнего предела меандр от выхода Q2 DD6.2 обнулит DD2 через VD22. Период повторения импульсов меандра меньше необходимых для заполнения DD2 – 20,48 с – и работа исполнительного узла запрещена.

В момент включения нагрузки может возникнуть всплеск тока с силой, превышающей в 30 и более раз силу тока в стационарном режиме. Для защиты симистора VS1 от превышения предельно допустимого тока и контактов К1.1 от сваривания применён узел токовой защиты на ОУ DA1. В цепи вывода 1 VS1 включен датчик тока – резистор R1. Ток нагрузки создаёт на нём падение напряжения. Инвертирующий усилитель DA1, R4, R8, R11, VD1,VD4 усиливает это напряжение с Ku=R14/R13. Полученный сигнал выпрямляется VD15 и прикладывается к входу R DD2. Согласно измерениям для различных типов нагрузок, до нормальных значений сила экстремального тока снижается за время 200…250 мс. Во избежание отключения при кратковременных всплесках тока после выпрямителя VD15 применена цепь R27C16. VD20 развязывает выходы ИМС, подключенных к шине сброса DD2, от низкого динамического сопротивления C16.

Если из-за обрыва в цепи стабилитронов VD2, VD3 суммарное напряжение питания превысит 32 В, ток в цепи стабилитрона VD11 включит VS2 и схема устройства будет шунтирована.

Симистор VS1 включается только при напряжении между выводами 1 и 2 более 1,6…2,5 В. В результате генерируются помехи с полосой частот в несколько мегагерц. Они могут доставить неприятности меломанам и любителям DX-приёма. Фильтры устройства достаточно эффективны. Уменьшить уровень помех можно изменением включения одной из обмоток TV1, TV2 или установкой параллельно выводам 1 и 2 VS1 последовательной цепочки из резистора МЛТ-2 100 Ом и конденсатора 0,047/630 В. Если это не даст результата, следует избавиться от симистора и удалить FU1, VD6, VD7, VD10, VD11, VD18, VD21, R6, R16, R25, R28, R36, C15, BQ1 и DD5; R6 заменить перемычкой. Вместо DD5.1 можно использовать освободившийся инвертор ИМС DD1.

В пределах частного дома обычно используется двухпроводная разводка – фаза и ноль. Реже, при мощных потребителях – циркулярных пилах и т. п. оборудовании – трёхфазная. В квартире может применяться и трёхпроводная – две фазы и ноль. К разным фазам могут быть подключены осветительные лампы и розетки или разные комнаты. Для защиты нагрузки в двух- или трёхфазных сетях следует применить два идентичных отсекателя. Симисторы VS1 и узлы токовой защиты необходимо удалить или развязать оптронами/токовыми трансформаторами, общие провода устройств соединить, рис. 4.

Технические характеристики
отсекателя

Нижнее пороговое значение сетевого 190
напряжения, Вэфф

Верхнее пороговое значение сетевого 245
напряжения, Вэфф

Быстродействие основного канала управления на отключение,
не хуже, мс 20

Быстродействие резервного канала управления на отключение,
не хуже, мс 80

Погрешность отработки пороговых
напряжений, В; % 1; 0,5

Смещение значений пороговых
напряжений при
замене DA2 или DA3, В, % 1; 0,5

Предел срабатывания токовой
защиты, А 10

Время срабатывания токовой
защиты, мс 150…250

Время задержки перед
первым включением и
после возвращения сетевого напряжения
в норму 20,48 с

Детали.

Рабочее напряжение С4, С5, С8 – не менее 630 В. С13 должен быть термостабильным – полистирольным серий ПМ, К70-х, К71-х или поликарбонатным серии К77-х, хуже – полиэтилентерефталатным серий К73-х, К74-х, К76-х. Ток утечки С16 должен быть минимален. Ёмкость остальных конденсаторов может находиться в пределах ±20 % от указанных на схеме.

Магнитопровод TV1, TV2 – ферритовое кольцо К402512 2000НМ. Обмотка выполнена сложенным вдвое одножильным проводом в полихлорвиниловой изоляции сечением 1,5 кв. мм до заполнения.

Резистор R1 изготовлен из монтажного многожильного провода. Длина отрезка подобрана по напряжению U=20 мВ при токе 2 А. R17 – подстроечный многооборотный типа СП5-2. R2…R3 – мощностью не менее 2 Вт, R24, R26 – 0,5 Вт. Остальные резисторы – МЛТ 0,25 Вт.

К2 может быть типа РМУ с Rобм=500 Ом, Uсраб=15 В. К1 – пускатель магнитный серий ПМЕ, ПМЛ с катушкой на 220 В. Если не удалось приобрести пускатель с рабочим напряжением 220 В, можно перемотать катушку. Обмотка должна содержать 5500 витков провода диаметром 0,112…0,12 мм.

VS1 – ТС125-10-12 на радиаторе с S≥200 кв. см; использование теплопроводящей пасты обязательно. Для надёжности, чтобы при максимальном входном напряжении уменьшить удельное рассеивание мощности на стабилитронах, VD2, VD3 можно заменить пятью Д815А для получения +Uпит=9…12 В; -Uпит=16…20 В. VD5…VD7, VD10, VD11 должны обеспечить Iпр. макс. до 1 А и Uобр. до 40 В, а Uобр. VD14 – 1000 В. Остальные диоды – кремниевые малогабаритные любого типа с Uобр. до 40 В. VT5, VT6 – любые кремниевые р-n-p с h21э≥50 и Uкэr≥25 В. VT3, VT4 - n-p-n с h21э≥150 и Uкэr≥40 В.

ИМС серии К561 можно заменить приборам серии 564. При этом надо изменить рисунок печатной платы или применить переходные платы. Сдвоенный ОУ К157УД2 заменяется аналогами – К157УД3, или К1434УД1.

Наладка.

Первым делом нужно собрать блок питания устройства и проверить напряжения на его выходе. Затем смонтировать элементы исполнительного узла. От автотрансформатора подать напряжение 180 – 190 В. Проверить надёжность срабатывания К1 и К2. В случае гула с частотой 50 Гц, дребезга контактов или сильной вибрации магнитной системы пускателя необходимо уменьшить количество витков катушки. Уверенное срабатывание К2 обеспечивается увеличением ёмкости С4, С5, С8 и С10, повышением -Uпит выбором VD3.

После сборки отсекателя установить щуп осциллографа на вывод 10 DD1.2, переключатель «V/дел» установить на 2 В/дел, «Время/дел» – 0,5…1 мс/дел. Включить устройство в сеть и вращением движка R17 добиться появления фронта импульса через 5,0 мс после среза предыдущего. При необходимости подобрать R18 или С13.

Включить устройство в сеть через автотрансформатор и подбором R31 и R32 установить по контрольному вольтметру и засветке HL1 или HL2 один из порогов. Для точной установки целесообразно воспользоваться цифровым мультиметром, т. к. разрешение устройства превышает разрешение стрелочных приборов. При точном подборе остальных резисторов измерительного делителя второй порог установится автоматически.

Имитация выхода элементов из строя и общая проверка срабатывания отсекателя.

Подключить индикаторную цепочку из резистора и светодиода между выходом DD5.2 и общим проводом. Замкнуть выводы 1 и 2 VS1. Включить устройство в сеть, проверить свечение светодиода и работу тонального генератора. Пускатель должен включиться через 20,5 с после устранения замыкания.

Установить индикаторную цепочку ко входу R DD2. Соединить вывод 5 DA3 с общим проводом. Включить отсекатель в сеть. Кратковременно замкнуть коллектор VT2 на общий провод. Затем вывести автотрансформатором входное напряжение за контролируемые пределы. В обоих случаях по свечению светодиода и отключению пускателя контролировать работу частотного компаратора.

Подключением нагрузки с током потребления 10 А, мощностью 2,2 кВт проверить работу узла токовой защиты. Увеличение сопротивления R14 снижает порог срабатывания токовой защиты. Многократным кратковременным включением нагрузки с током потребления 9 А проверить достаточность постоянной времени R27C16. Увеличение ёмкости C16 уменьшает чувствительность узла токовой защиты к броскам тока.

Установка и эксплуатация.

Плату отмыть от остатков флюса, высушить и покрыть двумя слоями пентафталевого или нитролака для защиты от утечек тока, вызванных выпадением атмосферной влаги. Отсекатель установить в подходящий корпус. TV1, TV2, К1, VS1 крепятся вне платы устройства.

Устройство включить на суточный прогон с номинальной нагрузкой. Проверить отсутствие помех от отсекателя и сбоев в его работе от помех и бросков тока в нагрузке. Отключив отсекатель от сети, проверять температуру VS1.

Несколько отсекателей, собранных по сходным схемам, работают в круглосуточном автоматическом необслуживаемом режиме с середины 2003 года без сбоев и отказов, так что об их существовании забыл и автор .

УСТРОЙСТВО ГАЛЬВАНИЧЕСКИ СВЯЗАНО С СЕТЬЮ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА! ПРИКОСНОВЕНИЕ К ТОКОВЕДУЩИМ ЧАСТЯМ ГРОЗИТ ГИБЕЛЬЮ! ПРИКОСНОВЕНИЕ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ К МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ОРГАНАМ УПРАВЛЕНИЯ И КОРПУСУ ОСЦИЛЛОГРАФА МОЖЕТ ЗАКОНЧИТЬСЯ ТЕМ ЖЕ! ВСЕ ИЗМЕНЕНИЯ В СХЕМЕ УСТРОЙСТВА ПРОИЗВОДИТЬ ТОЛЬКО ПОСЛЕ ОТКЛЮЧЕНИЯ ОТ СЕТИ! НАЗВАНИЕ «ОБЩИЙ ПРОВОД УСТРОЙСТВА» УСЛОВНО И НЕ ПРЕДПОЛАГАЕТ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ИЛИ ЗАНУЛЕНИЯ ЭТОГО ПРОВОДА.

Автор благодарит за основную идею Глебова Вадима, за дружескую критику и полезные советы – Ахтырского Юрия, Вертеленко Вадима, Вдовина Олега.

Литература.

Шило В. «Популярные цифровые микросхемы», «Металлургия», Челябинск, 1988.

Осциллограммы:

Схема:

Отредактировано artem (13.11.2007 00:16:03)

Radiohobby Forum

Объявление

#1 26.10.2007 20:18:23

Отсекатель. Защитись от лишнего напряжения.

Подвал форума