RU2109363C1

RU2109363C1 - Device for arcless disconnection of dc inductive circuit

Info

Publication number: RU2109363C1
Application number: RU96118645A
Authority: RU
Inventors: Владимир Леонтьевич Лотоцкий; Сергей Владимирович Лотоцкий
Original assignee: Владимир Леонтьевич Лотоцкий; Сергей Владимирович Лотоцкий
Priority date: 1996-09-19
Filing date: 1996-09-19
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: device has power contact 1 shorted out by main thyristor 2, forced switching unit built up of thyristor 3, capacitor 4, choke 5, and backward diode 6, capacitor charging circuit set up of thyristor 7 and resistor 8, control circuit 9 for thyristors 2, 3, 7, and high-power voltage limiter in the form of nonlinear resistance unit 12 that can be connected in parallel with load 11, power contact 1, or capacitor 4 (according to connection points A, b, C of lead of unit 12 shown by arrow). Device provides for arcless disconnection of inductive load from power supply 10 and suppression of coil magnetic field by magnetic energy dissipation in the form of heat loss in high-power nonlinear resistance unit. EFFECT: improved efficiency of magnetic field suppression and arcless disconnection of inductive load from power supply. 1 dwg

Description

Изобретение относится к низковольтным электрическим аппаратам, в частности к устройствам для бездугового гашения магнитного поля мощных электрических машин. The invention relates to low-voltage electric devices, in particular to devices for arc-free quenching of the magnetic field of powerful electric machines.

Известно устройство [1] для гашения магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения крупных электрических машин. Устройство содержит главные контакты, а также вспомогательные контакты и дугогасительную решетку, подключенные параллельно главным контактам, включающим индуктивную нагрузку в цепь источника постоянного тока. A device [1] for damping a magnetic field generated by the excitation winding of large electrical machines is known. The device contains main contacts, as well as auxiliary contacts and an arcing grid connected in parallel with the main contacts, which include an inductive load in the DC source circuit.

Устройство обладает значительными габаритами и массой, а также невысокой надежностью, связанной с дуговыми процессами при отключении индуктивной нагрузки. The device has significant dimensions and weight, as well as low reliability associated with arc processes when disconnecting inductive loads.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство [2] , содержащее основной тиристор, подключенный параллельно главному контакту, включенному в цепь источника питания, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора и конденсатора, цепь заряда коммутирующего конденсатора, состоящую из зарядного тиристора и резистора. The closest in technical essence to the invention is a device [2], containing a main thyristor connected in parallel with the main contact included in the power supply circuit, a forced switching unit of the main thyristor, consisting of a switching thyristor and a capacitor, a charge circuit of a switching capacitor, consisting of a charging thyristor and a resistor.

Устройство обладает низкой надежностью в случае отключения нагрузки, имеющей значительную индуктивную составляющую, так как коммутирующий конденсатор, имеющий ограниченную емкость, достаточную для коммутации основного тиристора, после перемены полярности будет заряжаться до очень высокого напряжения, а существенное увеличение (сотни раз) емкости конденсатора нецелесообразно в связи со значительным ухудшением массогабаритных показателей устройства. Кроме того, в момент отпирания коммутирующего тиристора конденсатор оказывается замкнутым накоротко, что снижает надежность блока коммутации. The device has low reliability in case of disconnection of the load, which has a significant inductive component, since a switching capacitor having a limited capacity sufficient to switch the main thyristor will be charged to a very high voltage after a polarity reversal, and a significant increase (hundreds of times) of the capacitor capacitance is inappropriate due to a significant deterioration in the overall dimensions of the device. In addition, when the switching thyristor is turned on, the capacitor is short-circuited, which reduces the reliability of the switching unit.

Цель изобретения - повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей. The purpose of the invention is improving reliability and improving overall dimensions.

В предлагаемом устройстве для бездугового отключения индуктивной цепи постоянного тока, содержащем, как и в прототипе, источник питания, главный контакт, основной тиристор, блок принудительной коммутации основного тиристора, содержащий коммутирующие тиристор и конденсатор, зарядную цепь, состоящую из последовательно соединенных зарядного тиристора и резистора, блок управления тиристорами и цепь нагрузки, при этом один из выводов главного контакта подключен к положительному выводу источника питания и аноду основного тиристора, катод коммутирующего тиристора подключен к общей точке соединения одной из обкладок коммутирующего конденсатора с одним из выводов зарядной цепи, вторая обкладка коммутирующего конденсатора соединена с катодом основного тиристора, вторым выводом главного контакта и положительным выводом цепи нагрузки, второй вывод зарядной цепи подключен к отрицательному выводу цепи нагрузки и отрицательному выводу источника питания, поставленная цель по повышению надежности и улучшению массогабаритных показателей устройства достигается тем, что оно снабжено мощным ограничителем напряжения в виде нелинейно-резистивного элемента, а в блок принудительной коммутации основного тиристора дополнительно включены обратный диод, шунтирующий основной тиристор, и дроссель, один вывод которого подключен к аноду основного тиристора, а другой - к аноду коммутирующего тиристора. In the proposed device for arc-free disconnection of an inductive direct current circuit, containing, as in the prototype, a power source, a main contact, a main thyristor, a forced switching unit of the main thyristor, containing a switching thyristor and a capacitor, a charging circuit consisting of a charging thyristor and a resistor connected in series , thyristor control unit and load circuit, while one of the terminals of the main contact is connected to the positive terminal of the power source and the anode of the main thyristor, cathode the switching thyristor is connected to the common point of connection of one of the plates of the switching capacitor with one of the terminals of the charging circuit, the second plate of the switching capacitor is connected to the cathode of the main thyristor, the second terminal of the main contact and the positive terminal of the load circuit, the second terminal of the charging circuit is connected to the negative terminal of the load circuit and the negative conclusion of the power source, the goal to improve reliability and improve the overall dimensions of the device is achieved by the fact that it is bzheno powerful voltage limiter in the form of a nonlinear resistance element, and a forced commutation unit main thyristor further includes a reverse diode shunt main thyristor and choke having one end connected to the anode of the main thyristor and the other - to the anode of the thyristor switching.

Устройство отличается также тем, что нелинейно-резистивный элемент подключен параллельно нагрузке. The device also differs in that the non-linear resistive element is connected in parallel with the load.

Устройство отличается, кроме того, тем, что нелинейно-резистивный элемент подключен параллельно главному контакту. The device differs, in addition, in that the non-linear resistive element is connected in parallel with the main contact.

Устройство отличается также тем, что нелинейно-резистивный элемент подключен параллельно коммутирующему конденсатору
Устройство представлено электрической схемой, приведенной на чертеже.The device also differs in that the non-linear resistive element is connected in parallel with the switching capacitor
The device is represented by the electrical circuit shown in the drawing.

Схема содержит главный контакт 1, шунтированный основным тиристором 2, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора 3, конденсатора 4, дросселя 5 и обратного диода 6, цепь заряда коммутирующего конденсатора, состоящую из зарядного тиристора 7 и резистора 8, схему управления 9 тиристорами 2, 3 и 7, источник питания напряжения 10, активно-индуктивную нагрузку 11 и мощный ограничитель напряжения в виде нелинейно-резистивного элемента 12. Главный контакт 1 включает нагрузку 11 в цепь источника питания 10, причем первый вывод главного контакта 1 подсоединен к положительному выводу источника питания 10 и аноду основного тиристора 2 (точка соединения B). Параллельно главному контакту 1 подключены основной тиристор 2, обратный диод 6 и цепочка из последовательно соединенных дросселя 5, коммутирующего тиристора 3 и конденсатора 4. При этом дроссель 5 одним выводом подсоединен к аноду основного тиристора 2, а другим выводом - к аноду коммутирующего тиристора 3, конденсатор 4 одной обкладкой подсоединен к катоду основного тиристора 2, а другой обкладкой - к катоду коммутирующего тиристора 3 и одному из выводов (точка соединения C) зарядной цепи, состоящей из последовательно соединенных зарядного тиристора 7 и резистора 8. Другой вывод зарядной цепи подсоединен к отрицательному выводу нагрузки и отрицательному выводу источника питания 10 (точка соединения A). Нелинейно-резистивный элемент 12 одним выводом подсоединен к положительному выводу нагрузки 11, который подключен к катоду обратного диода 6, второму выводу главного контакта 1, катоду основного тиристора 2 и второй обкладке конденсатора 4. Второй вывод нелинейно-резистивного элемента 12, обозначенный стрелкой, может иметь три варианта подсоединения. Он может подсоединяться к точке A (показано сплошной линией), что соответствует шунтированию нагрузки 11 элементом 12. Он может подсоединяться к точке B (показано пунктиром), что соответствует шунтированию главного контакта 1 элементом 12. Кроме того, он может подсоединяться к точке C (показано пунктиром), что соответствует шунтированию коммутирующего конденсатора 4 элементом 12. The circuit contains a main contact 1, shunted by the main thyristor 2, a forced switching unit of the main thyristor, consisting of a switching thyristor 3, a capacitor 4, a choke 5 and a reverse diode 6, a switching capacitor charge circuit consisting of a charging thyristor 7 and a resistor 8, a control circuit 9 thyristors 2, 3 and 7, a voltage power source 10, an active inductive load 11 and a powerful voltage limiter in the form of a non-linear resistive element 12. The main contact 1 includes a load 11 in the circuit of the power source 10, m the first output of the main contact 1 is connected to the positive terminal of the power source 10 and the anode of the main thyristor 2 (connection point B). Parallel to the main contact 1, the main thyristor 2, the reverse diode 6, and a chain of series-connected inductor 5, switching thyristor 3, and capacitor 4 are connected. In this case, inductor 5 is connected to the anode of main thyristor 2 by one output, and by the other output to the anode of switching thyristor 3, the capacitor 4 is connected by one plate to the cathode of the main thyristor 2, and the other plate - to the cathode of the switching thyristor 3 and one of the terminals (connection point C) of the charging circuit, consisting of a charging gallery connected in series source 7 and resistor 8. Another terminal of the charging circuit is connected to the negative terminal of the load and the negative terminal of the power source 10 (connection point A). The nonlinear resistive element 12 is connected to the positive terminal of the load 11 by one terminal, which is connected to the cathode of the inverse diode 6, the second terminal of the main contact 1, the cathode of the main thyristor 2 and the second plate of the capacitor 4. The second terminal of the nonlinear resistive element 12, indicated by an arrow, can have three connection options. It can be connected to point A (shown by a solid line), which corresponds to shunting the load 11 by element 12. It can be connected to point B (shown by a dashed line), which corresponds to bypassing the main contact 1 by element 12. In addition, it can be connected to point C ( shown by a dotted line), which corresponds to the shunting of the switching capacitor 4 by element 12.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии главный контакт 1 соединяет источник питания 10 с нагрузкой 11. Процесс отключения начинается с того, что по сигналу схемы управления 9 включается тиристор 7 и начинается зарядный процесс конденсатора 4, который заряжается до номинального напряжения источника питания 10. После завершения зарядного процесса одновременно с началом размыкания главного контакта 1 включается основной тиристор 2 и ток нагрузки переходит из контактной цепи в цепь с тиристором 2. При полном раздвижении контакт-деталей главного контакта 1, когда его электрическая прочность достигнет максимального значения, отпирается тиристор 3, включающий контур принудительной коммутации тиристора 2, составленный из элементов 3-4-6-5-3. Процесс коммутации обусловливается образованием колебательного LC-контура (дроссель 5 - конденсатор 4), в котором ток перезаряда конденсатора 4 имеет вид полусинусоиды (активным сопротивлением контура, вносящим незначительное затухание, можно пренебречь). Под действием указанного тока происходит уменьшение тока тиристора 2, а в момент времени, когда данный ток становится равным току нагрузки, ток через тиристор 2 становится равным нулю. С этого момента продолжающий возрастать по синусоидальному закону ток разряда будет протекать через обратный диод 6. Цепь для протекания нагрузочного тока не прерывается: ее обеспечивает обратный диод 6. Во время протекания тока через диод 6 его прямое падение напряжения (для демпферных быстродействующих диодов оно может достигать 4-5 В) будет приложено к тиристору 2 в обратном направлении, тем самым способствуя восстановлению его запирающих свойств. Время протекания тока через диод 6, когда разрядный ток превосходит ток нагрузки, должно быть достаточным для восстановления запирающих свойств основного тиристора 2 (определяется свойствами LC-контура). В момент, когда разрядный ток, уменьшаясь, станет равным току нагрузки, колебательный процесс LC-контура прекратится и диод 6 обесточится. Но связь источника питания 10 с нагрузкой 11 на этом не прекращается и ток нагрузки не прерывается. Дальнейший перезарядный процесс конденсатора 4 будет продолжаться с участием индуктивной нагрузки 11, дросселя 5 и источника питания 10 по контуру, составленному из элементов 4-11-10-5-3-4. При этом энергия, накопленная в индуктивности нагрузки, имеет решающее значение и при перезаряде конденсатора 4 она должна преобразоваться в энергию электрического поля конденсатора. Но так как емкость конденсатора 4 очень мала и достаточна только лишь для быстрого выключения тиристора 2 (10-15 мкс), то увеличение энергии его электрического поля может быть достигнуто только за счет увеличения напряжения между его обкладками, поэтому после смены полярности конденсатор будет заряжаться и очень быстро до очень высокого напряжения. Одновременно, пропорционально этому будет расти также напряжение на индуктивной составляющей нагрузки. Начиная с некоторого значения, это может стать очень опасным как для изоляции конденсатора 4, так и для изоляции провода индуктивной нагрузки 11. Кроме того, при выполнении процедуры гашения магнитного поля нагрузки нецелесообразно производить перевод всей энергии магнитного поля в энергию электрического поля конденсатора, которую после завершения процесса гашения все равно необходимо рассеять в виде тепловых потерь. Поэтому, исходя из допустимого уровня перенапряжения на конденсаторе 4 и на катушке нагрузки 11, в схеме устройства используется мощный ограничитель напряжения в виде нелинейно-резистивного элемента 12 со специальными свойствами Этот элемент должен обладать минимальным током утечки при напряжениях меньше пробивного, а при превышении пробивного напряжения достаточно малым динамическим сопротивлением. В качестве такого элемента может быть использован, например, варистор или стабилитрон. Этот элемент должен быть достаточно мощным, с хорошим охладителем, чтобы рассеять энергию, накопленную в магнитном поле индуктивной нагрузки. Выбор величины пробивного напряжения указанного элемента, с одной стороны, должен обеспечивать достаточно малое время гашения магнитного поля и тогда это напряжение должно быть как можно больше, а с другой стороны, оно не должно превосходить допустимый уровень по условиям прочности изоляции конденсатора и катушки нагрузки. The device operates as follows. In the initial state, the main contact 1 connects the power source 10 to the load 11. The shutdown process begins when the thyristor 7 is turned on by the signal of the control circuit 9 and the charging process of the capacitor 4 starts, which is charged to the rated voltage of the power source 10. After the charging process is completed simultaneously when the main contact 1 opens, the main thyristor 2 is turned on and the load current passes from the contact circuit to the circuit with thyristor 2. When the contact parts of the main contact 1 are fully extended, when e a dielectric strength reaches a maximum value, thyristor 3 comprising forced commutation thyristor circuit 2 composed of components 3-4-6-5-3. The switching process is determined by the formation of an oscillatory LC circuit (inductor 5 - capacitor 4), in which the overcharge current of the capacitor 4 has the form of a half-sine wave (the active resistance of the circuit, introducing a slight attenuation, can be neglected). Under the action of this current, the current of thyristor 2 decreases, and at the time when this current becomes equal to the load current, the current through thyristor 2 becomes equal to zero. From this moment on, the discharge current continues to increase according to a sinusoidal law, will flow through the reverse diode 6. The circuit for the flow of the load current is not interrupted: it is provided by the reverse diode 6. During the current flow through the diode 6, its direct voltage drop (for damper high-speed diodes it can reach 4-5 V) will be applied to the thyristor 2 in the opposite direction, thereby contributing to the restoration of its locking properties. The current flow through diode 6, when the discharge current exceeds the load current, should be sufficient to restore the blocking properties of the main thyristor 2 (determined by the properties of the LC circuit). At the moment when the discharge current, decreasing, becomes equal to the load current, the oscillatory process of the LC circuit will stop and the diode 6 will be de-energized. But the connection of the power source 10 with the load 11 does not stop there and the load current is not interrupted. A further recharging process of the capacitor 4 will continue with the participation of the inductive load 11, the inductor 5 and the power source 10 along the circuit composed of elements 4-11-10-5-3-4. In this case, the energy stored in the inductance of the load is crucial and when recharging the capacitor 4, it must be converted into the energy of the electric field of the capacitor. But since the capacitance of capacitor 4 is very small and sufficient only to quickly turn off thyristor 2 (10-15 μs), an increase in the energy of its electric field can be achieved only by increasing the voltage between its plates, therefore, after changing the polarity, the capacitor will be charged and very fast to very high voltage. At the same time, in proportion to this, the voltage on the inductive component of the load will also increase. Starting from a certain value, this can become very dangerous both for insulation of the capacitor 4 and for insulation of the inductive load wire 11. In addition, when performing the process of damping the magnetic field of the load, it is inappropriate to transfer all the energy of the magnetic field into the energy of the electric field of the capacitor, which after completion of the quenching process is still necessary to dissipate in the form of heat loss. Therefore, based on the permissible overvoltage level on the capacitor 4 and on the load coil 11, the device circuit uses a powerful voltage limiter in the form of a non-linear resistive element 12 with special properties. This element must have a minimum leakage current at voltages less than breakdown voltage, and when breakdown voltage is exceeded sufficiently small dynamic resistance. As such an element, for example, a varistor or a zener diode can be used. This element must be powerful enough with a good cooler to dissipate the energy stored in the magnetic field of the inductive load. The choice of the breakdown voltage of the specified element, on the one hand, should provide a sufficiently short damping time of the magnetic field, and then this voltage should be as large as possible, and on the other hand, it should not exceed the permissible level according to the conditions of insulation strength of the capacitor and load coil.

Так как после запирания основного тиристора 2 и перемены полярности на обкладках конденсатора 4 увеличение перенапряжения на конденсаторе 4 происходит синхронно и одинаково с увеличением перенапряжения на нагрузке 11 (за вычетом величины напряжения источника питания 10), то гашение поля происходит аналогично и независимо от того, какой элемент подвергается шунтированию: нагрузка 11, главный контакт 1 или конденсатор 4. В любом из указанных случаев шунтирования шунтирующий нелинейно-резистивный элемент 12 рассеивает в виде тепловых потерь магнитную энергию отключаемой индуктивной нагрузки 11. Since after locking the main thyristor 2 and changing the polarity on the plates of the capacitor 4, the increase in overvoltage on the capacitor 4 occurs synchronously and the same as the increase in overvoltage on the load 11 (minus the value of the voltage of the power supply 10), the damping of the field occurs similarly and regardless of which the element undergoes shunting: load 11, main contact 1 or capacitor 4. In any of these cases of shunting, the shunt non-linear resistive element 12 dissipates in the form of heat losses netic energy switchable inductive load 11.

После завершения процесса гашения магнитного поля индуктивной нагрузки незначительная по величине электрическая энергия, накопленная в конденсаторе 4, будет рассеяна в резисторе 8 во время следующего цикла зарядного процесса. After the process of quenching the magnetic field of the inductive load is completed, the insignificant electric energy stored in the capacitor 4 will be dissipated in the resistor 8 during the next cycle of the charging process.

Claims

A device for arc-free switching off an inductive direct current circuit containing a power source, a main contact, a main thyristor, a forced switching unit for a main thyristor containing a switching thyristor and a capacitor, a charging circuit consisting of a charging thyristor and a resistor connected in series, a thyristor control unit and a load circuit, in this case, one of the terminals of the main contact is connected to the positive terminal of the power source and the anode of the main thyristor, the cathode of the switching thyristor is connected n to the connection point of one of the plates of the switching capacitor with one of the terminals of the charging circuit, the other plate of the switching capacitor is connected to the cathode of the main thyristor, the other terminal of the main contact and the positive terminal of the load circuit, the other terminal of the charging circuit is connected to the negative terminal of the load circuit and the negative terminal of the source power supply, characterized in that a powerful voltage limiter is introduced in the form of a nonlinear resistive element, one of the terminals of which is connected to the connection point about contact with the positive terminal of the load circuit, and a reverse diode shunting the main thyristor, and a choke, one terminal of which is connected to the anode of the main thyristor and the other to the anode of the switching thyristor, is introduced into the forced switching unit of the main thyristor, while the other terminal is non-linear resistive the element is connected to the negative terminal of the load circuit, or to the positive terminal of the power source, or to the common point of the switching capacitor and the charging circuit.