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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Proteção automática de aparelhos elétricos contra surtos de tensão. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Proteção de equipamentos contra operação de emergência da rede, fontes de alimentação ininterruptas O dispositivo proposto desconecta a carga da rede se a tensão da rede sair da faixa especificada. A máquina foi desenvolvida como parte integrante do dispositivo de controle da bomba de vibração. No entanto, a carga do dispositivo pode ser qualquer dispositivo elétrico. Dispositivos semelhantes são descritos na literatura [1, 2, 3]. Esta máquina em todos os aspectos, com exceção do número de peças utilizadas, não é inferior à anterior, mas supera na maioria. A máquina tem as seguintes capacidades e funções. Ajuste separado dos limiares de tensão superior e inferior (dentro de 170-260 V). Isolamento galvânico da parte de controle do circuito da rede; isso permite que o dispositivo descrito seja usado para controlar uma rede com uma tensão de 380 V e superior. Indicação do estado do dispositivo por meio de um LED controlado por cores. O dispositivo desconecta a carga após o primeiro meio ciclo de tensão de rede fora da faixa especificada. Atraso ajustável antes de ligar o dispositivo, e o tempo é contado não a partir do momento em que a carga foi desligada, mas a partir do último meio ciclo "rejeitado" da tensão da rede (a tensão também é controlada durante o atraso). A máquina possui uma arquitetura aberta, por isso é fácil integrá-la a outros dispositivos. As desvantagens incluem o uso irracional de portas de circuitos lógicos. A máquina automática funciona em conjunto com a bomba "Strumok" da produção da Open Society "Elektromashina" (Kharkov). Quando a tensão cai abaixo de 205 V, o abastecimento de água cai drasticamente na bomba, fazendo com que esfrie mal e possa queimar. Quando a tensão excede 235 V, a vibração da bomba torna-se anormal e o ruído emitido aumenta cerca de duas vezes. O esquema do disjuntor é mostrado na Fig. 1.
A parte de entrada é separada galvanicamente do circuito de medição por meio de um transistor optoacoplador VE1. A tensão de rede é limitada pelo resistor R1 e gera pulsos de corrente através do LED do optoacoplador VE1. A ponte de diodo VD1 permite que cada metade da tensão de rede passe pelo LED do optoacoplador na direção direta. No ponto A, a tensão tem a forma mostrada na Fig. 2, a. O resistor R3 limita a corrente através do transistor optoacoplador em um nível aceitável. Se a tensão da rede estiver normal, nas entradas dos elementos lógicos (LE) DD1.1 e DD1.2 - níveis lógicos baixos e, consequentemente, na saída de DD1.3 - nível de log. "0".
Considere a operação de um canal que responde a uma diminuição na tensão da rede. O canal é montado nos elementos DA1.1, R6, VD2, R8, C1. Desde que a tensão de rede seja alta o suficiente, a tensão no ponto A em cada meio ciclo da tensão de rede cai abaixo do nível de tensão definido na entrada inversora DA1.1 usando o resistor de ajuste R4. Ambas as portas do chip DA1 estão incluídas como comparadores de tensão. Capacitores de correção de frequência podem ser omitidos. A cada meio ciclo, pulsos de tensão negativa aparecem na saída DA1.1 (ver Fig. 2, b), que, através da cadeia R6, VD2, descarregam o capacitor C1 quase a zero. Então, até que um novo pulso apareça no próximo meio ciclo da tensão de rede, o capacitor C1 é carregado através do resistor R8. O valor de R8 é escolhido de forma que durante o meio ciclo da tensão de rede, igual a 10 ms, a tensão em C1 se aproxime do limite de comutação do gatilho DD1.1, mas não o ultrapasse (ver Fig. 2, c). O resistor R6 limita a corrente de saída do amplificador operacional. O diodo VD2 impede a carga do capacitor pela corrente de saída do amplificador operacional quando sua saída é log. "1". Portanto, se a tensão da rede não cair abaixo do nível definido pelo resistor R4, na entrada do inversor DD1.1 a tensão corresponde ao nível de log. "0" e, portanto, a saída será um nível de log. "1". Se a tensão na rede cair abaixo do nível permitido, o sinal no ponto A não cairá abaixo da tensão definida pelo resistor R4, um pulso negativo não se formará na saída do amplificador operacional DA1.1, como resultado, o capacitor C1 será carregado com uma tensão suficiente para acionar o gatilho DD1.1 (Fig. 2, b, c). Além disso, esta comutação ocorrerá antes do final do atual meio ciclo "defeituoso" da tensão de rede. O primeiro próximo meio ciclo "normal" da tensão da rede retornará este nó ao seu estado original, pois através do resistor de 270 Ohm, o capacitor C1 é descarregado quase instantaneamente em comparação com a frequência da rede. O canal que responde ao excesso de tensão de rede, definido pelo resistor trimmer R5, o nível, é montado nos elementos DA1.2, R7, VD3, C2, R9. Enquanto a tensão na rede não exceder o nível especificado, o sinal no ponto A não cai abaixo do nível definido pelo resistor R5 na entrada não inversora do amplificador operacional DA1.2 (Fig. 2, a). Como a tensão na entrada inversora DA1.2 é maior do que na não inversora, a saída será um log. "0" (Fig. 2, f). O capacitor C2 está totalmente carregado. Na entrada do inversor DD1.2 - log. "0" e a saída é um log "1". Para este canal, a tarefa era receber um sinal constante durante o período em que a tensão da rede estivesse acima da norma, necessária para o funcionamento normal do LED de indicação. Assim que a tensão de rede exceder o nível especificado, um pulso positivo será gerado na saída do comparador DA1.2. O capacitor C2 será descarregado através da corrente R7, VD3 (Fig. 2, e, f). Um log aparecerá na entrada do inversor DD1.2. "1", e sua saída é um log. "0", que corresponde a um aumento da tensão de rede acima do limite. Até que o próximo pulso positivo apareça na saída do comparador DA1.2, o capacitor C2 será carregado através do resistor R9. O valor do resistor R9 é escolhido para que a tensão na entrada do gatilho DD1.2 não caia abaixo do nível correspondente ao log. "1", por um tempo de 10 ms, ou seja, até o próximo meio ciclo da rede (Fig. 2e). Assim, se vários semiciclos da tensão de rede em uma linha excederem o nível especificado, a saída DD1.2 terá um nível de log constante. "0". Quando o dispositivo é ligado, o capacitor C4 não carrega instantaneamente. Devido a isso, um pulso positivo é gerado na saída de DD6.3, que coloca o gatilho DD4.1 e o contador DD7 no estado inicial zero. O gerador, montado no LE DD6.2, DD6.4, começa a funcionar imediatamente após o dispositivo ser conectado à rede e funciona constantemente. Enquanto a tensão da rede estiver normal, o gatilho DD4.1 permanece no estado zero. Em ambas as entradas DD5.1 log. "0", sua saída também é um log. "0". Como resultado, na entrada R do contador DD7, o nível de log "1" é armazenado e o contador não responde à sequência de pulsos na entrada C. O nível do log. "1" da saída DD1.4 vai para a base do transistor VT3, e a tensão de rede é aplicada à carga. A lógica do autômato é dada na tabela de estados dos elementos DD5.1, DD6.1 (ver Tabela 1). Tabela 1
Quando a saída de um dos elementos DD1.1, DD1.2 log. "0", aparecerá um log na saída de DD1.3. "1" (Fig.2, d), que irá transferir o gatilho DD4.1 para um único estado. Nesse caso, o transistor VT3 fechará. Até o final do meio ciclo atual da tensão de rede, ainda haverá corrente na carga, mas no próximo meio ciclo o triac VS1 não abrirá mais. O gatilho DD4.1 lembra o estado do autômato. O contador DD7 gera um atraso antes que a carga seja ligada à rede. Até que a tensão de rede volte ao normal, ambas as entradas de DD5.1 serão logadas. "1", como resultado, o contador DD7 ainda não contará os pulsos do gerador. Quando a tensão da rede voltar ao normal, aparecerá um log na entrada S do gatilho DD4.1. "0". Agora as entradas DD5.1 terão níveis lógicos diferentes, e o contador DD7 começará a contar os pulsos do gerador (ver tabela). Se neste momento ocorrer novamente uma oscilação de energia, isso causará um pulso positivo na entrada R DD7, retornando o contador ao estado zero. Os elementos C3, R2 definem a frequência do gerador para cerca de 1 Hz. O tempo de atraso antes de ligar a carga pode ser ajustado selecionando uma das saídas do contador DD7. Se a saída Q5 for selecionada, o atraso é de 32 s. Outras saídas respectivamente diminuem ou aumentam este valor por um múltiplo de 2 vezes. Após a chegada da 7ª queda de tensão negativa na entrada C DD32, um nível lógico alto aparecerá em sua saída Q5. Através do DD3.1 este nível irá para a entrada R do gatilho DD4.1 e zera. Depois disso, o transistor VT3 será aberto e a tensão de rede será fornecida à carga. Os três estados do disjuntor são indicados por um diodo emissor de luz controlado por cor. Quando a máquina está em atraso antes de ligar, o LED fica laranja porque ambas as transições estão acesas. Ao mesmo tempo, em todas as quatro entradas do LE DD2.1, DD2.2 existe um alto nível lógico. Quando a tensão da rede fica abaixo ou acima do nível permitido, um nível de log aparece na entrada 8 DD2.1 ou 12 DD2.2, respectivamente. "0" e um dos cristais para de brilhar. Além disso, se a tensão estiver abaixo da norma, o LED vermelho apaga e temos um brilho verde. Se a tensão for alta, HL1 brilha em vermelho. Quando a tensão da rede está normal e a carga está conectada à rede, HL1 não acende, pois as entradas 9 DD2.1, 13 DD2.2 possuem nível log. "0". O aparelho utiliza um LED importado com diâmetro de 10 mm com lente de cor leitosa. A grande maioria dos LEDs importados com um diâmetro de lente de 8 mm ou mais tem uma corrente máxima constante através de uma junção de 30 mA. Na máquina descrita, as correntes de transição são limitadas a 20 mA pelos resistores R11 e R12. Os transistores VT1, VT2 são amplificadores para as correntes de saída do LE DD2.1, DD2.2. A comutação de carga na rede de 220 V é realizada por um triac VS1. Os optoacopladores tiristores VE2, VE3 são usados para isolamento galvânico da rede. Quando a carga está conectada à rede, um nível lógico alto aparece na saída do LE DD1.4. A corrente de saída DD1.4 é limitada pelo resistor R14 e é amplificada pelo transistor VT3 até 27 mA. Quando uma corrente suficiente flui através dos LEDs dos optoacopladores, os fototiristores abrem no início de cada meio ciclo da tensão de rede. No início de cada meio ciclo, o aumento da tensão da rede causa uma corrente através da cadeia: contato 8, ponte de diodo VD4, fototiristores de optoacopladores VE2, VE3, ponte de diodo VD4, R18, transição de controle triac VS1. Este último faz com que o VS1 abra, como resultado, a corrente continua a aumentar na carga e flui através do triac aberto VS1. No próximo meio ciclo da rede, o triac VS1 abre com um pulso de polaridade oposta, porém, a corrente ainda flui pelos fototiristores no sentido direto, graças à ponte de diodos VD4. Os resistores R16, R17 equalizam as tensões em fototiristores fechados. Isso deve ser feito porque as correntes de fuga de vários optoacopladores podem diferir várias vezes. Quando a carga é desconectada da rede, a tensão é redistribuída nos fototiristores fechados de forma que a tensão seja 250 V em um e 89 V no outro (com uma tensão de rede efetiva de 240 V, o valor da amplitude é 240x2 = 339 V), enquanto para este tipo de optoacoplador a tensão direta de saída máxima no estado fechado é de 200 V. Por causa disso, dois optoacopladores também devem ser usados. O valor dos resistores R16, R17 deve ser escolhido de forma que a corrente através dos resistores seja aproximadamente 10 vezes a corrente através dos fototiristores fechados (a corrente de fuga AOU103V é 0,1 mA). O resistor R18 limita a corrente através de VE2, VE3 e do eletrodo de controle do triac. Isso é necessário porque o triac VS1 abre apenas em uma determinada tensão entre o ânodo e o cátodo, na qual a corrente que passa pelos optoacopladores VE2, VE3 e a transição de controle VS1 pode aumentar acima do valor permitido. O resistor R19 fornece uma conexão galvânica entre o eletrodo de controle e o cátodo do triac, o que aumenta a estabilidade do triac quando fechado (especialmente em temperaturas elevadas). Ao usar um triac TS106-10, a potência de carga não deve exceder 2,2 kW. Outra variante de uma chave de carga isolada galvanicamente em uma rede de 220 V pode ser feita com base em um módulo optotiristor VS2 (consulte a Fig. 1 em RE10). Quando a corrente flui pelos LEDs do módulo, cada meio ciclo da tensão de rede passa pela carga e pelo fototiristor, que é conectado na direção direta. Em termos de relação preço / qualidade, as duas opções de troca de nós são iguais, mas se levarmos em consideração o tempo de fabricação, a segunda opção ganha significativamente. Os módulos MTOTO80 são produzidos para correntes de 60 A e acima, portanto, a potência de comutação pode ser muito grande. Tamanho do módulo 92x20x30 mm. Com uma carga de até 1 kW sem dissipador de calor, o módulo superaquece apenas 5°C em relação à temperatura ambiente. Recentemente, um controle de pulso triac foi usado para alternar a carga. Isso reduz o consumo de energia do dispositivo. Tais soluções técnicas complicam desnecessariamente o circuito, pois a economia de energia é inferior a 0,5% com uma carga de 100 W (o pior triac consome menos de 0,5 W no circuito de controle). À medida que a carga aumenta, a economia de energia diminui ainda mais. Antes de usar o autômato descrito, bem como dispositivos semelhantes de [1-3], recomendo que você leia o artigo em [4]. O disjuntor descrito pode ser usado para controlar uma rede com tensão de 380 V e superior. Para fazer isso, selecione o módulo MTOTO80 para a tensão e corrente necessárias e selecione a resistência do resistor R1. Para alimentar o disjuntor, é necessária uma fonte de tensão estabilizada de 9 V em uma corrente de até 100 mA. Você pode usar uma fonte baseada em um estabilizador de microcircuito KR142EN8A(G) em sua inclusão padrão [5]. A energia é fornecida aos blocos 10, 11 na placa de circuito impresso. Detalhes. Na máquina descrita, são usados resistores fixos de uso geral do tipo MLT, S2-23, S2-33. Resistores trimmer R4, R5 tipo SP5-14, SP5-22. Capacitores C1, C2 tipo K73-17 para uma tensão de 63 V ou mais, C3, C4 tipo K10-17v ou outra cerâmica de tamanho adequado. Podem ser usados microcircuitos das séries K176, K561, KR1561. Transistor KT315 com índices de letras B, G, E. Optoacoplador AOT128 com qualquer índice de letras. Diodos VD2, VD3 tipos KD522, KD521 com qualquer índice de letras. Projeto de dispositivo. O dispositivo é montado em uma placa de circuito impresso feita de fibra de vidro dupla face. A Figura 3-5 mostra a disposição dos elementos na placa de circuito impresso, respectivamente, os condutores nos lados superior e inferior da placa de circuito impresso.
O tamanho da placa é de 85x85 mm, existem 4 furos com diâmetro de 2,8 mm para fixação da placa. Os elementos de potência VS1 ou VS2 são instalados fora da placa. Eles são conectados ao circuito através dos contatos 1, 8, 9 (VS1) ou 6, 7 (VS2). Na fabricação de uma placa de circuito impresso, pode-se usar fibra de vidro unilateral, enquanto as conexões da camada superior da placa são substituídas por um fio de montagem flexível, por exemplo, MGTF. Ao projetar uma placa de circuito impresso, o número de condutores na camada superior foi minimizado. Entre os elementos que operam sob tensão de rede e os elementos de baixa tensão na placa de circuito impresso existe uma folga de segurança que pode suportar tensões de até 500 V. Contexto. Para configurar o disjuntor, você precisa de um autotransformador de laboratório (LATR) e um voltímetro CA. Antes de definir, o controle deslizante do resistor variável R4 é definido na posição superior de acordo com o diagrama e o controle deslizante do resistor R5 na parte inferior. A máquina, juntamente com a carga, é conectada à saída LATR. Não é necessário usar um dispositivo potente como carga - pode ser uma lâmpada de 100 W. Uma tensão correspondente ao limite superior de tensão é definida na saída do LATR. Então, girando o motor do resistor R5, eles garantem que a carga seja desligada. Depois disso, alterando a "tensão de rede" com LATR, eles verificam a exatidão do ajuste. A tensão limite inferior é ajustada da mesma maneira. Literatura:
Autor: A. A. Rudenko
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