RU2214638C1

RU2214638C1 - Способ бездугового прерывания тока и устройство его реализации

Info

Publication number: RU2214638C1
Application number: RU2002103694/09A
Authority: RU
Inventors: С.Н. Сидоров
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2003-10-20

Abstract

Изобретение относится к электротехнике. Способ осуществляется путем упреждающего уведения тока с механических контактов путем параллельного согласного с направлением тока подключения заряженного полярного конденсатора, сопровождающегося уменьшением тока контактов и частичным разрядом конденсатора. По достижении тока контактов необходимого для бездуговой коммутации порогового уровня осуществляется размыкание контактов с одновременным транзисторным переключением конденсатора во встречном току направлении, приводящему к уменьшению тока сетевого источника до нуля и повторному заряду демпфирующего конденсатора до исходного уровня. Технический результат - увеличение срока эксплуатации. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к устройствам коммутации переменного тока, содержащим в своем составе бесконтактные транзисторно-конденсаторные элементы, служащие для ускореного бездугового прерывания тока, а также механические контакты, разведение которых обеспечивает надежный видимый разрыв электрической цепи после проведения коммутации.

Известны устройства бесконтактного прерывания тока, получающие применение в тиристорных регуляторах и преобразователях с искусственной коммутацией. В подобного рода устройствах коммутации тока происходят плавно без высвобождения значительной электромагнитной энергии под воздействием напряжения на обкладках полярного демпфирующего конденсатора достаточно большой емкости. Работа данного конденсатора происходит без постепенного накапливания заряда в режиме двухстороннего обмена энергией с индуктивными элементами контура коммутации [см., например, АС 607320, 1431018]. Наиболее близкое техническое решение содержится в устройстве, представленном в АС 1580505.

В данном устройстве коммутации осуществляются в два этапа. На первом этапе согласное подключение конденсатора в параллель выключаемому элементу, например силовому тиристору или механическим контактам, обеспечивает переход тока в цепь конденсатора, что сопровождается уменьшением тока указанных элементов и частичным разрядом конденсатора. Скорость протекания коммутации на данном этапе может быть снижена установкой в цепи кондесатора согласующего дросселя. Последующее на втором этапе выключение тиристора, например, с помощью специального узла искусственной коммутации или размыкание механических контактов происходит с одновременным "переворачиванием" демпфирующего конденсатора, который оказывается включенным встречно току сетевого источника. Коммутация завершается повторным зарядом демпфирующего конденсатора под воздействием уменьшающегося до нуля тока, в процессе которого высвобождающаяся электромагнитная энергия, накопленная в индуктивных элементах рассматриваемой цепи, поступает в конденсатор. При достаточно большой емкости последнего это может обеспечить незначительный уровень коммутационных перенапряжений. Таким образом, при данном способе коммутаций размыкание механических контактов происходит при неполном снижающемся токе, что создает предпосылки для проведения бездуговой коммутации. Размыкание происходит в конце первого этапа, длительность которого не может оставаться постоянной, так как в первую очередь зависит от величины тока, протекавшего через контакты до начала коммутации. С учетом этой зависимости предлагается момент начала второго этапа коммутации определять по достижению тока механических контактов установленного порогового уровня, обеспечивающего их последующее бездуговое размыкание.

Устройство для реализации плавной коммутации тока выполняется на транзисторных ключах, зашунтированных обратными диодами, которые образуют мостовую схему, зажимами переменного тока подключенную к сети в параллель механическим контактам со стороны сетевого источника, а зажимами постоянного тока - к соответствующим их полярности выводам полярного демпфирующего конденсатора. В связи с наличием в указанной силовой цепи транзисторных ключей данное устройство снабжается цепями управления для выработки импульсов, служащих для отпирания и запирания транзисторов. Для реализации предлагаемого технического решения в устройство управления вводится пороговый элемент на выходе узла сравнения сигнала, поступающего с датчика тока контактов, с сигналом уставки. По достижению равенства указанных сигналов пороговый элемент разрешает запирание силовых транзисторных ключей.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства в однофазном варианте, а на фиг.2 - временные диаграммы напряжений и токов, иллюстрирующие его работу. Устройство содержит транзисторные ключи 1-4, зашунтированные обратными диодами 5-8, включенные по однофазной мостовой схеме, которая зажимами переменного тока подключена посредством согласующего дросселя 9 к однофазной сети переменного тока в параллель механическим контактам 10 автоматического выключателя с дистанционным расцепителем, предназначенным для подключения цепи нагрузки 11 к источнику сетевого напряжения 12. Последний может быть представлен источником ЭДС с эквивалентой внутренней индуктивностью. Соответствующими зажимами постоянного тока транзисторный мост соединен с выводами полярного демпфирующего конденсатора 13. Цепи управления, кроме устройства формирования и распределения управляющих импульсов 14, содержат некий пороговый элемент 15, на вход которого поступает сигнал с узла сравнения тока уставки Iу с сигналом тока нагрузки (контактов) Iн, поступающим с датчика тока 16.

Работа устройства происходит следующим образом. Подключение транзисторно-конденсаторного устройства к сети обеспечит заряд конденсатора 13 с помощью диодов 5-8 и дросселя 9 до уровня Uc_o, который ввиду наличия в цепи заряда индуктивных элементов будет несколько превышать амплитудное значение сетевого напряжения (см. диаграммы на фиг.2). Таким образом, исходное состояние устройства коммутации при замкнутых механических контактах характеризуется тем, что диоды и транзисторные ключи заперты, а начальное напряжение конденсатора сохраняется постоянным. В момент начала коммутации t₁ из устройства управления 14 подаются отпирающие импульсы на ту или иную, в зависимости от направления мгновенного тока, пару диагонально расположенных транзисторных ключей моста. Это приведет к согласному подключению конденсатора в параллель контактам и цепи нагрузки, способствующим переходу тока в цепь конденсатора. Начнется первый этап коммутации, на котором происходит уменьшение тока контактов Iн и соответствующее увеличение тока конденсатора Iс, сопровождающееся его частичным разрядом. В момент t₂, по достижении тока контактов порогового уровня, при выполнении условия Iн ≤ Iу устройство управления выключит работающие транзисторные ключи и одновременно подаст команду в цепь расцепителя на размыкание механических контактов. В связи с малой величиной остаточного тока контактов их размыкание не приведет к дугообразованию. Этому способствует также то обстоятельство, что ток сетевого источника Icи на втором этапе коммутации будет иметь возможность замыкаться по цепи, содержащей первичный сетевой источник 12, согласующий дроссель 9, обратные диоды 5-8 и встречно включенный демпфирующий конденсатор 13. При этом накопленная в индуктивных элементах сети и дросселя электромагнитная энергия поступит в конденсатор, что будет способствовать его повторному заряду. Снижение тока будет происходить плавно под воздействием встречного напряжения демпфирующего конденсатора без значительных перенапряжений на транзисторных ключах и остальных элементах цепи. Коммутация тока завершается в момент t₃, после чего диоды естественным образом запираются, и устройство возвращается в исходное состояние.

По сравнению с механическими прерывателями тока данное техническое решение предоставляет новые возможности усовершенствования автоматических выключателей, например, в направлении увеличения срока эксплуатации и уменьшения массогабаритных показателей за счет устранения дугогасителей и упрощения конструкции контактов, повышения быстродействия при выключении, расширения функциональных возможностей ограничения сетевых и коммутационных перенапряжений и др. Его применению способствует также широкая номенклатура предлагаемых на рынке комплектующих транзисторных IGBT- и MOSFET-модулей, цена которых имеет тенденцию к снижению.

Claims

1. Способ бездугового прерывания тока, осуществляемый в два этапа с помощью транзисторно-конденсаторного устройства и механических контактов путем согласного подключения на первом этапе в параллель замкнутым контактам предварительно заряженного полярного демпфирующего конденсатора, приводящего к переходу тока с контактов в цепь указанного конденсатора, сопровождающегося его частичным разрядом, с последующим в начале второго этапа одновременным разведением контактов и переключением демпфирующего конденсатора во встречном току направлении, приводящему к его снижению до нуля, повторному заряду конденсатора до исходного уровня и возвращению устройства коммутации в первоначальное состояние готовности к следующей коммутации, отличающийся тем, что момент начала второго этапа определяют по достижению тока замкнутых контактов порогового уровня, обеспечивающего их последующее бездуговое размыкание.

2. Устройство для реализации бездугового прерывания тока, выполненное на транзисторных ключах, зашунтированных обратными диодами, образующих мостовую схему, зажимами переменного тока подключенную к сети в параллель механическим контактам со стороны сетевого источника, а зажимами постоянного тока - к соответствующим их полярности выводам полярного демпфирующего конденсатора, а также содержащее устройство управления транзисторными ключами, связанное с дистанционным расцепителем механических контактов, при наличии датчика тока контактов, отличающееся тем, что устройство управления содержит пороговый элемент для сравнения сигнала, поступающего с датчика тока контактов с током уставки, по достижению которого пороговый элемент разрешает запирание транзисторных ключей и размыкание контактов.