RU2177678C2

RU2177678C2 - Contactless starter

Info

Publication number: RU2177678C2
Application number: RU97121157A
Authority: RU
Inventors: С.И. Грузных; В.Г. Нестеров; С.В. Кузиков
Original assignee: Грузных Сергей Иванович; Минаков Александр Алексеевич; Нестеров Владимир Геннадьевич
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2001-12-27

Abstract

FIELD: multipurpose general industrial, domestic, and special-purpose switching devices. SUBSTANCE: contactless starter used for controlling and protecting ac circuits has power unit incorporating electronic power cell mounted on thick base inside locating slot of heat sink. The latter is made in the form of ribbed heat-conducting support. Symmetry axis of electronic power cell is aligned with or parallel to longitudinal symmetry axis of heat-conducting support. Electronic power cell is mounted on thickened base; location of electronic power cell inside heat-conducting support depends on its height and its thickness, on length of fastening screw. EFFECT: reduced size, weight, material input, and cost; enhanced operating reliability. 8 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области коммутационных аппаратов управления и защиты переменного тока с широким набором функциональных возможностей, предназначенных для применения в изделиях общепромышленного, бытового и специального назначения. The invention relates to the field of switching control apparatus and protection of alternating current with a wide range of functionalities intended for use in products of general industrial, domestic and special purposes.

Известны пускатели [1, 2] бесконтактные на базе полупроводниковой техники на токи (4 - 160) A, применяемые в электроустановках для дистанционного пуска, установки и реверсирования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Бесконтактные пускатели представляют собой блочную конструкцию, состоящую из силового блока на тиристорных или оптотиристорных модулях, силовых транзисторах или на тиристорах, оптотиристорах и триаках одного или двух блоков управления. Силовые модули располагаются на теплоотводах. Known contactors [1, 2] are non-contact based on semiconductor technology for currents (4 - 160) A, used in electrical installations for remote start, installation and reversal of squirrel-cage induction motors. Contactless starters are a block design consisting of a power unit on thyristor or opto-thyristor modules, power transistors or on thyristors, opto-thyristors and triacs of one or two control units. Power modules are located on heat sinks.

Теплоотводы в виде ребристых пластин укрепляются параллельно друг другу в специальном корпусе, образующем единую конструкцию, которую с помощью дополнительной установочной пластины можно крепить на направляющие DIN в электрощитах. Такое расположение элементов обеспечивает прочность конструкции и возможность охлаждения теплоотводов и самих силовых электронных элементов потоком воздуха снизу вверх, полностью исключая отвод тепла вбок по периметру. Это обстоятельство приводит к увеличению габаритов и веса этих бесконтактных пускателей, соответственно к дополнительному расходу материалов, повышению стоимости. Кроме того, указанная конструкция предполагает отдельное расположение схемы управления и схемы индикации, а также установку входных и выходных клемм управления вне конструкции силового блока, увеличивая количество и длину проводов и соединений, снижая тем самым надежность всего бесконтактного пускателя в целом. Heatsinks in the form of ribbed plates are mounted parallel to each other in a special housing that forms a single structure, which can be mounted on DIN rails in electrical panels using an additional mounting plate. This arrangement of elements provides structural strength and the ability to cool the heat sinks and the power electronic elements themselves with an air flow from the bottom up, completely eliminating heat removal sideways around the perimeter. This circumstance leads to an increase in the size and weight of these contactless starters, respectively, to an additional consumption of materials, an increase in cost. In addition, this design involves a separate location of the control circuit and the display circuit, as well as the installation of input and output control terminals outside the design of the power unit, increasing the number and length of wires and connections, thereby reducing the reliability of the entire contactless starter as a whole.

Целью изобретения является уменьшение габаритов бесконтактных электронных пускателей, уменьшение материалоемкости и веса изделий, снижение их стоимости, а также повышение надежности бесконтактных пускателей в процессе их эксплуатации. The aim of the invention is to reduce the size of contactless electronic starters, reduce material consumption and weight of products, reduce their cost, as well as increase the reliability of contactless starters in the process of their operation.

Бесконтактный пускатель содержит силовой блок, представляющий собой электронный элемент, установленный на радиаторе охлаждения, и систему управления, расположенную над силовым блоком. Силовой блок представляет собой пару встречно-параллельно соединенных силовых электронных элементов. The contactless starter contains a power unit, which is an electronic element mounted on a cooling radiator, and a control system located above the power unit. The power block is a pair of counter-parallel connected power electronic elements.

Радиатор охлаждения выполнен в виде центральной теплопроводящей опоры с ребрами и внутренним установочным пазом с основанием, разделенной воздушным зазором по поперечной оси симметрии на две симметричные части, при этом на обеих частях основания установлены силовые электронные элементы встречно-параллельно включенной пары силовых электронных элементов. The cooling radiator is made in the form of a central heat-conducting support with fins and an internal mounting groove with a base divided by an air gap along the transverse axis of symmetry into two symmetric parts, while on both parts of the base there are power electronic elements of a counter-parallel connected pair of power electronic elements.

Ось симметрии силового блока совпадает или параллельна с продольной осью симметрии центральной теплопроводящей опоры. The axis of symmetry of the power unit coincides or is parallel with the longitudinal axis of symmetry of the central heat-conducting support.

Нижнее ребро радиатора охлаждения закреплено на диэлектрическом основании. The lower edge of the cooling radiator is mounted on a dielectric base.

Для нагрузки, требующей коммутацию, двух и более фаз, используют 2- и более полюсные бесконтактные пускатели, представляющие собой два и более силовых блока, установленные на радиаторе охлаждения аналогично однополюсному, с разделением полюсов посредством воздушных зазоров вдоль продольной оси по длине бесконтактного пускателя. При этом при использовании тиристоров или оптронных тиристоров радиаторы охлаждения разделены воздушным зазором по оси симметрии. For a load requiring switching of two or more phases, 2- and more-pole contactless starters are used, which are two or more power units mounted on a cooling radiator similarly to a single-pole one, with pole separation by air gaps along the longitudinal axis along the length of the contactless starter. In this case, when using thyristors or optocoupler thyristors, cooling radiators are separated by an air gap along the axis of symmetry.

Количество фаз силового напряжения, подводимого к нагрузке, равно количеству полюсов бесконтактного пускателя. The number of phases of the power voltage supplied to the load is equal to the number of poles of the contactless starter.

Толщина ребер радиатора охлаждения определяется опытно-экспериментальным путем и составляет 1-3 мм, расстояние между ребрами 3-8 мм. The thickness of the ribs of the cooling radiator is determined experimentally and is 1-3 mm, the distance between the ribs is 3-8 mm.

Выравнивание температурных режимов работы силовых электронных элементов в 3-полюсном бесконтактном пускателе осуществляется путем уменьшения площади радиатора охлаждения боковых полюсов за счет выборки площади ребер, шлицевых пазов в зоне крепежа бесконтактных пускателей и т.п. The temperature conditions of power electronic elements in a 3-pole contactless starter are equalized by reducing the area of the radiator for cooling the side poles by selecting the area of the fins, spline grooves in the fastener area of the contactless starters, etc.

В качестве силовых электронных элементов могут быть использованы симисторы (триаки) или оптронные симисторы. Тиристоры или оптронные тиристоры, включенные по встречно-параллельной схеме. Triacs or optocouplers can be used as power electronic elements. Thyristors or optocoupler thyristors connected in an anti-parallel circuit.

При увеличении мощности бесконтактного пускателя увеличивается мощность силового электронного элемента, соответственно увеличиваются размеры основания, высота теплопроводящей опоры, количество ребер радиатора охлаждения, оптимизируются их конструктивные размеры, решая тем самым задачу создания оптимальных условий отвода тепла в окружающую среду естественной конвекции. With an increase in the power of a contactless starter, the power of the power electronic element increases, respectively, the dimensions of the base, the height of the heat-conducting support, the number of fins of the cooling radiator increase, their design dimensions are optimized, thereby solving the problem of creating optimal conditions for heat removal into the natural convection environment.

Кроме непосредственной функции охлаждения радиатор охлаждения выполняет функцию несущей конструкции бесконтактного пускателя и служит в том числе для крепления силовых электронных элементов, корпуса системы управления с клеммниками, а с противоположной стороны - для крепления диэлектрического основания с элементами крепежа пускателя. In addition to the direct cooling function, the cooling radiator performs the function of the supporting structure of the contactless starter and serves, among other things, for mounting power electronic elements, the control system housing with terminal blocks, and on the opposite side, for attaching a dielectric base with starter fastener elements.

Благодаря предложенной конструкции силового блока, расположению корпуса системы управления с вводными силовыми клеммниками и диэлектрического основания снижается материалоемкость, вес, габариты и стоимость электронного пускателя, что существенно расширяет область применения электронных пускателей и позволяет использовать его взамен соответствующих электромагнитных пускателей, обеспечивается возможность подключения стандартного набора дополнительных функциональных блоков, тепловых реле, таймеров и пр. Due to the proposed design of the power unit, the location of the control system housing with input power terminal blocks and a dielectric base, the material consumption, weight, dimensions and cost of the electronic starter are reduced, which significantly expands the scope of electronic starters and allows its use in place of the corresponding electromagnetic starters, it is possible to connect a standard set of additional function blocks, thermal relays, timers, etc.

За счет возможности применения различных силовых электронных элементов - симисторов (триаков), оптронных симисторов, тиристоров и отронных тиристоров обеспечивается универсальность электронных пускателей. Конструкция обладает повышенной ремонтопригодностью. Заявляемое конструктивное решение позволяет создавать бесконтактные пускатели, габариты которых равны габаритам соответствующих величин электромагнитных пускателей (нулевой, первый и т.д.). Due to the possibility of using various power electronic elements - triacs (triacs), optocouplers, thyristors and otron thyristors, the universality of electronic starters is ensured. The design has increased maintainability. The inventive design solution allows you to create contactless starters, the dimensions of which are equal to the dimensions of the corresponding values of the electromagnetic starters (zero, first, etc.).

На фиг. 1 представлен бесконтактный пускатель, однополюсный, общий вид; на фиг. 2 - вид сбоку фиг. 1; на фиг. 3 - вид сверху фиг. 1; на фиг. 4 - разрез А-А фиг. 3; на фиг. 5 - в разрезе бесконтактный пускатель, в котором в качестве силовых электронных элементов использованы тиристоры или оптотиристоры; на фиг. 6 - бесконтактный пускатель трехполюсный, общий вид; на фиг. 7 - вид сбоку фиг. 6; на фиг. 8 - вид сверху фиг. 6; на фиг. 9 - разрез Б-Б фиг. 8; на фиг. 10 - в разрезе трехполюсный бесконтактный пускатель, в котором в качестве силовых электронных элементов использованы тиристоры или оптотиристоры. In FIG. 1 shows a contactless starter, single-pole, general view; in FIG. 2 is a side view of FIG. 1; in FIG. 3 is a plan view of FIG. 1; in FIG. 4 is a section AA of FIG. 3; in FIG. 5 is a sectional view of a contactless starter in which thyristors or optothyristors are used as power electronic elements; in FIG. 6 - contactless three-pole starter, general view; in FIG. 7 is a side view of FIG. 6; in FIG. 8 is a plan view of FIG. 6; in FIG. 9 is a section BB of FIG. 8; in FIG. 10 is a cross-sectional view of a three-pole contactless starter in which thyristors or optothyristors are used as power electronic elements.

Бесконтактный пускатель представляет собой силовой блок, состоящий из силового электронного элемента 1, установленного на индивидуальном радиаторе охлаждения 2, систему управления в корпусе 3. Радиатор охлаждения 2 представляет собой центральную теплопроводящую опору 4 с ребрами 5, установочным пазом 6 для силовых электрических элементов 1 и основанием 7, на котором с помощью присоединительного винта 8 закреплен силовой электронный элемент 1. Размеры установочного паза 6 определяются размерами силового электронного элемента с минимальными установочными размерами под ключ. Толщина основания 7 определяется длиной присоединительного винта 8. Ширина опоры должна быть меньше диаметра основания 9 силового электронного элемента 1, выполненного под ключ. The contactless starter is a power unit consisting of a power electronic element 1 mounted on an individual cooling radiator 2, a control system in the housing 3. The cooling radiator 2 is a central heat-conducting support 4 with fins 5, an installation groove 6 for power electrical elements 1 and the base 7, on which a power electronic element 1 is mounted using a connecting screw 8. The dimensions of the installation groove 6 are determined by the dimensions of the power electronic element with a minimum installation dimensions turnkey. The thickness of the base 7 is determined by the length of the connecting screw 8. The width of the support should be less than the diameter of the base 9 of the power electronic element 1, made on a turn-key basis.

При использовании в качестве силового блока электронных силовых элементов в виде тиристоров или оптотронных тиристоров, включенных по встречно-параллельной схеме, центральная теплопроводящая опора 4 разделена воздушным зазором 10 по оси симметрии на две симметричные части. На обеих частях центральной теплопроводящей опоры и установлены сильные электронные элементы. Система управления в корпусе 3 закреплена на верхнем ребре 11 радиатора охлаждения. Силовые присоединительные клеммники 12, 13 закреплены на верхнем ребре 11 радиатора охлаждения и фиксируют крышку корпуса системы управления. В плане габариты корпуса с клеммниками 12, 13 системы управления 3 и габариты радиатора охлаждения 2 равны. Нижнее ребро 14 радиатора охлаждения закреплено на диэлектрическом основании 15 бесконтактного пускателя с обеспечением максимального теплового контакта по всей поверхности их сопротивления. When using electronic power elements in the form of thyristors or optotron thyristors connected in an anti-parallel circuit as the power block, the central heat-conducting support 4 is divided by the air gap 10 along the axis of symmetry into two symmetrical parts. Strong electronic elements are installed on both parts of the central heat-conducting support. The control system in the housing 3 is mounted on the upper edge 11 of the cooling radiator. Power connecting terminal blocks 12, 13 are mounted on the upper edge 11 of the cooling radiator and fix the cover of the control system housing. In terms of dimensions, the case with the terminal blocks 12, 13 of the control system 3 and the dimensions of the cooling radiator 2 are equal. The lower rib 14 of the cooling radiator is mounted on the dielectric base 15 of the contactless starter to ensure maximum thermal contact over the entire surface of their resistance.

В трехполюсном бесконтактном электронном пускателе (фиг. 7) радиаторы охлаждения разделены воздушными зазорами 16 вдоль продольной оси радиатора. In a three-pole contactless electronic starter (Fig. 7), the cooling radiators are separated by air gaps 16 along the longitudinal axis of the radiator.

При подаче напряжения через клеммы-контакты на силовой электронный элемент на выходе напряжение отсутствует до тех пор, пока на управляющей электрод силового электронного элемента не будет подан сигнал управления от системы управления. После получения сигнала на включение через дополнительную пару клемм, установленную на том клеммнике, силовой электронный элемент открывается, пропуская через себя рабочий ток. При этом происходит тепловыделение в зоне контакта силового электронного элемента с радиатором охлаждения. Зона контакта включает в себя установочную площадку по диаметру основания силового электронного элемента и площадь резьбового контакта установочного винта силового электронного элемента с утолщенным основанием радиатора охлаждения. Тепловые потоки за счет утолщенного основания, уменьшающего тепловое сопротивление, распространяются к периферии, проходя через вертикальную опору в направлении нижнего диэлектрического основания пускателя и в направлении элементов корпуса системы управления. С центральной теплопроводящей опоры тепло передается на ребра радиатора охлаждения, которые выполнены таким образом, что образуют развитую поверхность теплоотдачи. Соотношения толщин ребер, расстояния между ребрами, ширины ребер выбираются, исходя из условия обеспечения минимального теплового сопротивления между радиатором охлаждения и окружающей средой. When voltage is applied through the terminals to the power electronic element, there is no voltage at the output until a control signal from the control system is supplied to the control electrode of the power electronic element. After receiving a signal to turn on through an additional pair of terminals installed on that terminal block, the power electronic element opens, passing an operating current through itself. In this case, heat is released in the contact zone of the power electronic element with the cooling radiator. The contact zone includes a mounting pad along the diameter of the base of the power electronic element and the area of the threaded contact of the mounting screw of the power electronic element with a thickened base of the cooling radiator. Heat fluxes due to the thickened base, reducing thermal resistance, propagate to the periphery, passing through a vertical support in the direction of the lower dielectric base of the starter and in the direction of the elements of the control system housing. From the central heat-conducting support, heat is transferred to the fins of the cooling radiator, which are made in such a way that they form a developed heat transfer surface. The ratio of the thicknesses of the ribs, the distance between the ribs, the widths of the ribs are selected based on the conditions for ensuring the minimum thermal resistance between the cooling radiator and the environment.

Литература:
1. Твердотелый электромагнитный пускатель. Пер. с англ. материалов фирмы Hurotherm ltd, ВЦП- N Я-11976-БГ, 1989, Р 1-4, ГРНТИ 45.31.31. С. 2-3.Literature:
1. Solid state electromagnetic starter. Per. from English materials of the company Hurotherm ltd, VTsP-N I-11976-BG, 1989, R 1-4, GRNTI 45.31.31. S. 2-3.

2. Пат. Великобритания N 2052164, Н 05 К 7/20, 1981, фиг. 1. 2. Pat. Great Britain N 2052164, H 05 K 7/20, 1981, FIG. 1.

Claims

1. Non-contact starter, including a power unit mounted on a cooling radiator, and a control system located above the power unit, characterized in that the power unit is a pair of power electronic elements connected in an anti-parallel circuit, the cooling radiator is made in the form of a central heat-conducting supports with a base, with ribs and an internal mounting groove, divided by an air gap along the transverse axis into two symmetrical parts, while on both parts of the specified base is installed via connecting screws above mentioned power electronic elements of the power unit.

2. The contactless starter according to claim 1, characterized in that the axis of symmetry of the power unit coincides with or parallel to the longitudinal axis of symmetry of the heat-conducting support.

3. The contactless starter according to claim 1, characterized in that the dimensions of the mounting groove are determined by the dimensions of the power electronic element, the base of the heat-conducting support is thickened, and its thickness is determined by the length of the connecting screw.

4. The contactless starter according to claim 1, characterized in that when the contactless starter is made of two or more pole two or more power units are mounted on cooling radiators, which are separated by an air gap along the longitudinal axis of the contactless starter.

5. The contactless starter according to claim 4, characterized in that the number of poles of the contactless starter is equal to the number of voltage phases supplied to the load.

6. The contactless starter according to claim 1, characterized in that the thickness of the fins of the cooling radiator is 1-3 mm, the distance between the fins is 3-8 mm, and its width is less than the diameter of the base of the power electronic element.

7. The contactless starter according to claim 1, characterized in that it is equipped with a dielectric base on which the lower edge of the cooling radiator is fixed.

8. The contactless starter according to claim 1, characterized in that the control system housing with terminal blocks is mounted on the upper edge of the cooling radiator.