SU817770A1

SU817770A1 - Device for arcless switching of dc circuits

Info

Publication number: SU817770A1
Application number: SU772484571A
Authority: SU
Inventors: Андрей Вениаминович Велин; Сергей Семенович Голощапов; Вениамин Васильевич Злакоманов; Анатолий Николаевич Кулик; Ростислав Валентинович Кривошеев; Леонид Алексеевич Озеров; Борис Сергеевич Яковлев
Original assignee: Челябинский Политехнический Институтим. Ленинского Комсомола
Priority date: 1977-05-11
Filing date: 1977-05-11
Publication date: 1981-03-30

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бездуговой коммутации (включения, выключения) потребителей электроэнергии в цепях автономных электрических систем постоянного тока, используемых, например, на транспортных средствах и подвижных объектах техники. 5The invention relates to electrical engineering and can be used for arc-free switching (on, off) of consumers of electricity in the circuits of autonomous electrical systems of direct current, used, for example, in vehicles and mobile equipment. 5

Известен гибридный переключатель постоянного тока, содержащий главные силовые контакты электромеханического коммутирующего аппарата, основной управляемый тиристор, подключенный параллельно глав- _Joным контактам, схему отключения основного тиристора с использованием конденсатора, ключ управления и согласующую цепь для коммутации основного тиристора в соответствующие моменты времени [1].Known hybrid DC switch comprising a main power contacts of the electromechanical switching device, the main control thyristor connected in parallel _Jo nym principal contacts, trip main thyristor circuit using a capacitor, the control key and the matching circuit for switching the main thyristor in the respective time points [1] .

Однако данное устройство не позволяет 15 снизить высокий уровень коммутационных отклонений напряжения системы электроснабжения, так как тиристоры не могут работать в режиме управляемого во времени ключа, при этом снижается и надежность. ²⁰ However, this device does not allow 15 to reduce the high level of switching deviations of the voltage of the power supply system, since the thyristors cannot operate in the time-controlled key mode, while reliability is also reduced. ²⁰

ВIN

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является комби2 нированныи выключатель, содержащий силовце контакты коммутирующего аппарата, управляемый силовой транзистор, подключенный параллельно силовым контактам, блок формирования сигналов управления посредством конденсатора и резисторов, контакты аппарата, подключенные параллельно конденсатору. Кроме того, выключатель может иметь ключ управления коммутирующим аппаратом (2].The closest in technical essence to the proposed one is a combined switch containing power contacts of the switching device, a controlled power transistor connected in parallel to the power contacts, a block for generating control signals by means of a capacitor and resistors, device contacts connected in parallel with a capacitor. In addition, the switch may have a control key of the switching device (2].

Недостатками известного устройства являются невысокая надежность и значительная величина коммутационных отклонений напряжения.The disadvantages of the known device are the low reliability and a significant amount of switching voltage deviations.

Цель изобретения — повышение надежности, уменьшение величины коммутационных отклонений напряжения и уменьшение коммутационных провалов напряжения.The purpose of the invention is to increase reliability, reduce the magnitude of the switching voltage deviations and reduce switching voltage dips.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для бездуговой коммутации цепей постоянного тока снабжено пороговым элементом, дополнительным замыкающим контактом ключа управления, стабилизатором тока включения и стабилизатором тока отключения, причем размыкающий контакт ключа управления включен между базой' эмиттерного повторителя и входом стаби лизатора тока отключения, замыкающий контакт ключа управления включен между базой эмиттерного повторителя и входом стабилизатора тока включения, а дополнительный замыкающий контакт ключа управления включен между коллектором тран- 5 зистора и входом порогового элемента, подключенного выходом к катушке управления коммутирующего аппарата.This goal is achieved by the fact that the device for arc-free switching of DC circuits is equipped with a threshold element, an additional closing contact of the control key, an on-current stabilizer and an off current stabilizer, and the opening contact of a control key is connected between the emitter follower base and the input of the off-current stabilizer, which closes the contact of the control key is connected between the base of the emitter follower and the input of the on-current stabilizer, and an additional make contact A control switch is connected between the collector of the transistor 5 and the input of the threshold element connected by the output to the control coil of the switching device.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства для коммутации.The drawing shows a circuit diagram of a device for switching.

Устройство содержит силовой контакт 1 коммутирующего аппарата, катушку 2 управления, шунтированную обратным диодом 3, транзистор 4, подключенный выходом па- 15 раллельно контакту 1, стабилизатор тока включения в виде времязадающей цепи на транзисторе 5 и переменном резисторе 6, времязадающий конденсатор 7, эмиттерный повторитель на транзисторе 8 и резисторе 9, замыкающий контакт 10 ключа управления, ²⁰стабилизатор тока отключения в виде времязадающей цепи на транзисторе 11 и переменном резисторе 12, размыкающий контакт 13 ключа управления, пороговый элемент 14, выполненный по схеме триггера 25 Шмитта на диоде 15, транзисторах 16 и 17 и резисторах 18—22, дополнительный размыкающий контакт 23 ключа управления, подключенный одним выводом к коллектору транзистора 4, а другим — ко входу порогового элемента 14, т. е. к аноду диода 15. 30 Потребитель 24 использует для своего функционирования электроэнёргию источника 25, например электромашинного генератора постоянного тока, обладающего внутренним сопротивлением 26 активно-индуктивного характера. Контакт 23 ключа уп- ³⁵равления замыкается при замыкании контакта 10 и размыкается при замыкании контакта 13. База транзистора 4 подключена к выходу эмиттерного повторителя — эмиттеру транзистора 8. 40The device contains a power contact 1 of the switching apparatus, a control coil 2, shunted by a reverse diode 3, a transistor 4 connected by an output parallel to pin 1, an on-current stabilizer in the form of a timing circuit on transistor 5 and a variable resistor 6, a timing capacitor 7, an emitter follower the transistor 8 and the resistor 9, make contact control switch 10, a stabilizer ²⁰ in the form of current interruption time-setting circuit for the transistor 11 and the variable resistor 12, the break contact 13 of the control key porogo the 14th element, made according to the Schmitt trigger 25 circuit on the diode 15, transistors 16 and 17 and resistors 18-22, an additional NC contact 23 of the control key connected by one output to the collector of transistor 4, and the other to the input of threshold element 14, t. e. to the anode of diode 15. 30 Consumer 24 uses for its functioning the electric energy of source 25, for example, an electric machine DC generator with an internal resistance 26 of an active-inductive nature. Contact 23 of the control key ³⁵ closes when contact 10 closes and opens when contact 13 closes. The base of transistor 4 is connected to the output of the emitter follower — the emitter of transistor 8. 40

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В разомкнутом состоянии цепи потребителя 24 контакт 13 замкнут, а контакт 10 ключа управления разомкнут, при этом разомкнут также контакт 23. Пороговый эле- 45 мент 14 построен таким образом, что его выходной сигнал отсутствует, поэтому катушка 2 обесточена, вследствие чего контакт 1 разомкнут. Разряженный конденсатор 7 при этом позволяет удерживать транзистор 4 в состоянии отсечки неопределенное время. Уровень срабатывания порогового элемента 14 может устанавливаться в широких пределах и определяется при расчете параметра схемы.In the open state of the consumer circuit 24, contact 13 is closed, and contact 10 of the control key is open, while contact 23 is also opened. The threshold element 45 is constructed so that its output signal is absent, therefore, coil 2 is de-energized, as a result of which contact 1 is open . The discharged capacitor 7 in this case allows you to keep the transistor 4 in the cutoff state indefinitely. The response level of the threshold element 14 can be set within wide limits and is determined by calculating the circuit parameter.

При переводе ключа управления в дру- ₅₅гое положение замыкаются контакты 10 и 23 и размыкается контакт 13. При этом замыкается цепь стабилизатора тока включения. Поскольку транзистор 5 и резистор 6 соеди нены по схеме стабилизатора тока, то конденсатор 7 заряжается стабильным током, а напряжение на нем линейно нарастает от нулевой величины. Величина тока заряда определяется установочным сопротивлением резистора 6. На выходе эмиттерного повторителя формируется сигнал замыкания (изменяющийся также линейно), под действием которого транзистор непрерывно изменяет свое состояние, и ток в цепи потребителя при этом нарастает по линейному закону от нуля. При определенной величине сигнала замыкания транзистор 4 входит в область насыщения и процесс замыкания цепи транзистором 4 заканчивается. Величина развиваемой ЭДС самоиндукции Δϋ на сопротивлении 26 источника 25 определяется выражением ди = Ц-, (1) где L — индуктивность источника относительно выходных зажимов;When the control key is moved to another position _55, contacts 10 and 23 are closed and contact 13 is opened. At the same time, the switching current stabilizer circuit is closed. Since the transistor 5 and resistor 6 are connected according to the current stabilizer circuit, the capacitor 7 is charged with a stable current, and the voltage across it increases linearly from zero value. The magnitude of the charge current is determined by the installation resistance of resistor 6. At the output of the emitter follower, a closure signal is generated (also changing linearly), under the influence of which the transistor continuously changes its state, and the current in the consumer circuit thus increases linearly from zero. With a certain value of the short-circuit signal, the transistor 4 enters the saturation region and the process of closing the circuit by the transistor 4 ends. The magnitude of the developed EMF of self-induction Δϋ at the resistance 26 of the source 25 is determined by the expression di = C-, (1) where L is the inductance of the source relative to the output terminals;

I — величина номинального тока потребителя;I is the value of the rated consumer current;

tj—время замыкания цепи.tj — circuit closing time.

При заданных величинах L и I путем изменения величины tj можно регулировать величину AU на требуемом уровне и тем самым уменьшить величину отклонения напряжения + U на выходном зажиме источника при замыкании цепи. Время определяется емкостью конденсатора и током стабилизатора. Уровень (порог) срабатывания элемента 14 выбирается по величине напряжения насыщения транзистора 4, поэтому указанный элемент срабатывает в момент 'насыщения транзистора 4 и подключает катушку 2 к источнику напряжения + U. После этого контакт 1 замыкается и надежно блокирует транзистор 4, при этом полупроводниковый шунт позволяет устранить процесс искро- и дугообразования при замыкании и дребезге контакта 1. Потребитель 24 надежно подключается к источнику 25, и под действием напряжения +U пороговый элемент надежно удерживает катушку 2 во включенном состоянии. Таким образом, контакт 1 при замыкании использует информацию о состоянии транзистора 4. Момент замыкания контакта 1 регулируется путем установки необходимого напряжения срабатывания порогового элемента 14, который выполняет функцию согласующего органа.For given values of L and I, by changing the value of tj, it is possible to adjust the value of AU at the required level and thereby reduce the voltage deviation + U at the output terminal of the source when the circuit is closed. Time is determined by the capacitance of the capacitor and the current stabilizer. The level (threshold) of operation of the element 14 is selected according to the saturation voltage of the transistor 4, therefore, the specified element is activated at the time of saturation of the transistor 4 and connects the coil 2 to the voltage source + U. After that, the contact 1 closes and reliably blocks the transistor 4, while the semiconductor shunt allows you to eliminate the process of spark and arcing during short circuit and bounce of contact 1. Consumer 24 is connected reliably to source 25, and under the action of voltage + U the threshold element reliably holds coil 2 in rated state. Thus, the contact 1 during the closure uses information about the state of the transistor 4. The closure moment of the contact 1 is regulated by setting the required operating voltage of the threshold element 14, which performs the function of a matching body.

При переводе ключа управления в исходное положение контакты 10 и 23 размыкаются, а контакт 13 замыкается, в результате входной сигнал порогового элемента 14 скачком уменьшается до нуля, а сам элемент возвращается в исходное состояние. Ток катушки 2 уменьшается до нуля, замыкаясь через диод 3 и в определенный момент времени контакт 1 размыкается. Ток потребителя 24 перетекает при этом в цепь шунтирующего транзистора 4. С учетом требований, накла дываемых на параметры шунтирующей ветви с транзистором 4, довольно просто достигается процесс бездуговой коммутации в рассматриваемой цепи электрической системы. При замыкании контакта 13 замыкается цепь стабилизатора тока отключения. Транзистор И и резистор 12 соединены по схеме стабилизатора тока, поэтому конденсатор 7 разряжается стабильным током и напряжение' на нем линейно уменьшается от напряжения питания системы до нуля. Величина тока разряда определяется установочным сопротивлением резистора 12.When the control key is reset, the contacts 10 and 23 open, and the contact 13 closes, as a result, the input signal of the threshold element 14 abruptly decreases to zero, and the element returns to its original state. The current of the coil 2 decreases to zero, closing through the diode 3 and at a certain point in time, contact 1 opens. In this case, the consumer current 24 flows into the circuit of the shunt transistor 4. Taking into account the requirements imposed on the parameters of the shunt branch with transistor 4, the process of arcless switching in the circuit of the electric system under consideration is quite simple. When the contact 13 is closed, the circuit of the trip current regulator closes. The transistor And and the resistor 12 are connected by a current stabilizer circuit, so the capacitor 7 is discharged with a stable current and the voltage 'on it decreases linearly from the system supply voltage to zero. The magnitude of the discharge current is determined by the installation resistance of the resistor 12.

На выходе эмиттерного повторителя формируется линейный сигнал размыкания, под действием которого транзистор непрерывно изменяет .свое состояние. Ток в цепи потребителя при этом спадает по линейному закону от величины I до нуля. Величина развиваемой ЭДС самоиндукции Δϋ на сопротивлении 26 источника 25 определяется выражениемA linear opening signal is generated at the output of the emitter follower, under the influence of which the transistor continuously changes its state. The current in the consumer circuit decreases linearly from I to zero. The value of the developed EMF of self-induction Δϋ at the resistance 26 of the source 25 is determined by the expression

AU = —L-——, rAetp— время размыкания цепи транзистором.AU = —L -——, rAetp — transistor opening time of the circuit.

При заданных величинах L и I путем изменения величины tj> можно регулировать величину на требуемом уровне и тем самым уменьшить величину отклонения напряжения + U на выходном зажиме источника при размыкании цепи. Время tp определяется емкостью конденсатора и током стабилизатора. Момент выхода транзистора 4 в граничный режим из области насыщения определяется величиной напряжения на конденсаторе 7, меньшей исходной величины напряжения на нем при размыкании, поэтому процесс размыкания контакта 1 заканчивается к указанному моменту времени.For given values of L and I, by changing the value of tj> it is possible to adjust the value at the required level and thereby reduce the voltage deviation + U at the output terminal of the source when the circuit is opened. Time tp is determined by the capacitance of the capacitor and the current of the stabilizer. The moment the transistor 4 exits to the boundary mode from the saturation region is determined by the voltage across the capacitor 7, which is less than the initial voltage across it when it opens, so the process of opening contact 1 ends by the indicated time.

Для формирования процесса размыкания контакта 1 в цепь шунтирующего диода 3 целесообразно включать форсирующий элемент, например стабилитронный приемник энергии, что существенно повышает быстродействие устройства при размыкании. Если исключить из схемы транзисторы 5 и 11, то .управление транзистором 4 происходит по закону экспоненты с постоянными времениTo form the process of opening contact 1 in the circuit of the shunt diode 3, it is advisable to include a boost element, for example a zener diode energy detector, which significantly increases the speed of the device during opening. If transistors 5 and 11 are excluded from the circuit, then the control of transistor 4 occurs according to the law of the exponent with time constants

Таким образом, устройство осуществляет безразрывную· коммутацию в цепи электрической системы. Комбинирование контакта 1 с транзистором 4 позволяет обеспечить кратковременный режим работы последнего, что дает возможность использовать перегрузочную способность транзисторов при работе в импульсных режимах. В случае необходимости возможно параллельное соединение или использование составного транзистора 4. В качестве элемента 14 можно использовать и другие полупроводниковые устройства, например компараторы или релейные усилители. ιThus, the device carries out seamless · switching in the circuit of the electrical system. The combination of pin 1 with transistor 4 allows you to provide a short-term mode of operation of the latter, which makes it possible to use the overload ability of transistors when operating in pulse modes. If necessary, parallel connection or the use of a composite transistor 4 is possible. As an element 14, other semiconductor devices, for example, comparators or relay amplifiers, can be used. ι

Изобретение позволяет повысить надежность работы и долговечность устройства посредством ликвидации опасных выбросов напряжения в системе, повысить качество электроэнергии за счет уменьшения величины коммутационных отклонений напряжения на зажимах источника, увеличить электрическую износоустойчивость силовых контактов, упростить эксплуатацию устройства посредством использования типовых элементов и создания условий,* обеспечивающих согласованную работу силовых контактов и транзисторного шунта и упростить настройку с целью получения заданных норм качества электроэнергии.The invention improves the reliability and durability of the device by eliminating hazardous voltage surges in the system, improves the quality of electricity by reducing the magnitude of the switching voltage deviations at the source terminals, increases the electrical durability of power contacts, simplifies the operation of the device by using standard elements and creating conditions * ensuring a consistent the operation of power contacts and a transistor shunt and simplify the setup for the purpose of semi eniya predetermined power quality standards.

При использовании предлагаемого устройства достигается высокая эффективность функционирования.When using the proposed device is achieved high efficiency.

Claims

(54) A DEVICE FOR COMBUSSION OF THE CURRENT OF THE CURRENT CURRENT OF CURRENT CURRENT LICER; apparatus. The drawing shows a circuit diagram of a switching device. The device contains a power contact 1 of the switching device, a control coil 2, shunted by a reverse diode 3, a transistor 4 connected by an output parallel to pin 1, a turn-on current regulator in the form of a master circuit time on transistor 5 and a variable resistor 6, a time setting capacitor 7, emitter follower on the transistor 8 and the resistor 9, the closing contact 10 of the control key, the off current regulator in the form of the master circuit time on the transistor 11 and the variable resistor 12, the opening contact 13 of the control key, the thresholds element 14, made according to the Schmitt trigger on diode 15, transistors 16 and 17, and resistors 18-22; additional break contact 23 of the control key, connected by one output to the collector of transistor 4, and the other to the input of threshold element 14, m. E. To the anode of the diode 15. The consumer 24 uses for its operation the electric power of the source 25, for example, a DC machine-generator, having an internal resistance 26 of active-inductive nature. The contact 23 of the control key closes when the contact 10 is closed and opens when the contact 13 is closed. The base of the transistor 4 is connected to the output of the emitter follower - emitter of the transistor 8. The device operates as follows. In the open state of the consumer 24, the contact 13 is closed and the control key contact 10 is open, while the contact 23 is also open. The threshold element 14 is designed so that its output signal is absent, therefore the coil 2 is de-energized, as a result of which the contact 1 is open. The discharged capacitor 7 in this case allows the transistor 4 to be kept in the cut-off state for an indefinite time. The trigger level of threshold element 14 can be set over a wide range and is determined when calculating a circuit parameter. When the control key is moved to another position, contacts 10 and 23 are closed and contact 13 is opened. This closes the on-current regulator circuit. Since the transistor 5 and the resistor 6 are connected according to the current regulator circuit, the capacitor 7 is charged with a stable current, and the voltage across it rises linearly from zero. The magnitude of the charging current is determined by the setting resistance of the resistor 6. At the output of the emitter follower, a closure signal is generated (also linearly changing), under the action of which the transistor continuously changes its state, and the current in the consumer circuit increases linearly from zero. At a certain value of the closure signal, transistor 4 enters the saturation region and the circuit closure process of transistor 4 ends. The amount of self-induced emf developed by AU on the resistance 26 of source 25 is determined by the expression whether L is the inductance of the source relative to the output terminals; I - the value of the rated current of the consumer; . tj-circuit closing time. For given values of L and I, by changing the value of t, it is possible to adjust the value at the required level and thereby reduce the amount of voltage deviation + U at the output terminal of the source when the circuit is closed. The time t is determined by the capacitance of the capacitor and the current of the stabilizer. The level (threshold) of operation of the element 14 is selected by the value of the saturation voltage of transistor 4, therefore, this element is triggered at the saturation of transistor 4 and connects the coil 2 to the voltage source + U. After that, contact 1 closes and reliably blocks the transistor 4, while the semiconductor shunt allows you to eliminate the spark and arcing process when the contact 1 bounces and bounce. Consumer 24 reliably connects to source 25 and the threshold element reliably holds the coil under voltage -IU 2 in the on state. Thus, the contact 1 when closing uses the information on the state of the transistor 4 .. The closing moment of the contact 1 is regulated by setting the required trigger voltage of the threshold element 14, which performs the function of a matching body. When moving the control key to the initial position, contacts 10 and 23 are opened, and contact 13 is closed, as a result, the input signal of the threshold element 14 is abruptly reduced to zero, and the element itself returns to the initial state. The current of coil 2 decreases to zero by closing through diode 3 and at a certain point in time contact 1 is opened. The current of the consumer 24 flows in this case to the shunt transistor circuit 4. Taking into account the requirements imposed on the parameters of the shunt branch with transistor 4, the process of arc-less switching in the considered circuit of the electrical system is quite simply achieved. When contact 13 is closed, the current regulator circuit is closed. The transistor 11 and the resistor 12 are connected in a current stabilizer circuit, so the capacitor 7 is discharged with a stable current and the voltage across it decreases linearly from the system supply voltage to zero. The magnitude of the discharge current is determined by the setting resistance of the resistor 12. At the output of the emitter follower, a linear opening signal is generated, under the action of which the transistor continuously changes its state. The current in the consumer circuit decreases linearly from I to zero. The magnitude of the self-induced emf developed by di at the resistance 26 of source 25 is determined by the expression AU -L-i, where 1 |, is the open time of the circuit by the transistor. For given values of L and I, by changing the value of tj, it is possible to adjust the value at the required level and thereby reduce the amount of voltage deviation -I-U at the output terminal of the source when the circuit is opened. The time tp is determined by the capacitor capacitance and the stabilizer current. The moment of output of the transistor 4 into the boundary mode from the saturation region is determined by the value of the voltage on the capacitor 7, which is less than the initial value of the voltage on it when it is open, therefore the process of opening the contact 1 ends to the specified time. In order to form the process of opening the contact 1 into the circuit of the shunt diode 3, it is advisable to turn on a boosting element, for example, a Zener diode energy receiver, which significantly increases the speed of the device upon opening. If transistors 5 and 11 are excluded from the circuit, then transistor 4 is controlled according to the law of exponentials with time constant T sRe-C, i .iC Thus, the device performs continuous switching in the electrical system circuit. Combining pin 1 with transistor 4 allows for short-term operation of the latter, which makes it possible to use the overload capacity of transistors when operating in pulsed modes. If necessary, parallel connection or use of a composite transistor 4 is possible. As an element 14, other semiconductor devices can be used, such as comparators or relay amplifiers. The invention improves the reliability and durability of the device by eliminating hazardous voltage spikes in the system, improving the quality of electricity by reducing the magnitude of switching voltage variations at the source terminals, increasing the electrical durability of the power contacts, simplifying the operation of the device by using type elements and creating conditions - ensuring the coordinated operation of the power contacts and the transistor shunt and simplify the configuration in order to radiation predetermined power quality standards. When using the proposed device, a high efficiency of operation is achieved. Claims An inventive device for arcless switching of direct current circuits comprising a transistor connected in parallel with the power contact of a switching device, an emitter follower connected by an emitter to the base of the transistor, a time setting capacitor connected to the base of the emitter follower, a control coil of the switching device, a shunted reverse connection, a disconnected inlet, and a disconnected disconnect piece, injectable, will be connected by the inverse connection, and will be connected by the inverse connection that is connected to the base of the transistor, connected to the base of the emitter follower; control, with closing and opening contacts, characterized in that, in order to increase reliability, to reduce switching It is provided with a threshold element, an additional closing contact of the control key, an on-current regulator and an off current regulator, the disconnecting contact of the control key is connected between the base of the emitter follower and the input of the off-current stabilizer, the closing contact of the control key is connected between the base of the emitter follower and the input current regulator input, and the additional closing contact of the control key is connected between the the vector of the transistor and the input of the threshold element connected by the output to the control coil of the switching device. Sources of information taken into account in the examination 1. Spiridonov V., Tkachenko Y. and Chaly M. Shutting off the shunt valve in the system of arc breaking of chains. -Sat. “Electrical Engineering, vol. 305, M., 1968, p. 12-13.

2.Marakanov V.A. and Pivnenko A.D. On the possibility of creating a switch operating with a given commutation law. Sb. “Electrical industry, ser. “Low Voltage Appliances, vol. 7 1971, p. 7-8.