SU922894A1 - Выключатель i - Google Patents

Description

Изобретение относится к низковольтным электрическим аппаратам, в частности, к бесконтактным и гибридным выключателям.

Известны выключатели, содержащие полупроводниковый ключ в главной цепи и демпфирующую цепь, подключенную параллельно полупроводниковому ключу и состоящую из последовательно соединенных резистора и конденсатора [1}[41. Демпфирующая цепь обеспечивает защиту элементов полупроводникового ключа при его выключении, ограничивая амплитуду и скорость нарастания восстанавливающегося напряжения. В контакте [1} демпфирующая цепь подключена параллельно главным контактам и шунтирующему их полупроводниковому ключу, состоящему из двух встречнопараллельно включенных тиристоров.

В устройстве [2] полупроводниковый ключ - один тиристор, а в прерывателе [З] полупроводниковые ключи состоят из встречно-параллельно включенных

2

тиристора и диода. В станциях управления [4] полупроводниковый ключ это два встречно-параллельно включенных тиристора.

Эти устройства имеют следующие недостатки: применение демпфирующих цепей, подключенных параллельно полупроводниковому ключу непосредственно, существенно увеличивает потери энергии в тиристорах и, как следствие этого,снижает их динамическую теплостойкость; общие потери в схеме за счет дополнительных потерь в демпфирующих цепях существенно воз₁₅ растают; эффективность демпфирующей цепи снижается при отключении аварийных токов (перегрузки и короткого замыкания) и может не обеспечить защи ту полупроводникового ключа.

20 Последний недостаток обусловлен тем, что при отключении полупроводниковым ключом аварийных токов имеет место протекание значительного по величине обратного тока, который при

3 922894

4

запирании полупроводникового ключа переходит в демпфирующую цепь и возникает скачок напряжения на резисторе демпфирующей цепи. Это приводит к резкому нарастанию восстанавливающегося 5 напряжения на элементах полупроводникового ключа, причем скорость нарастания восстанавливающегося напряжения может превысить допустимое значение скорости нарастания напряжения на 10 элементах полупроводникового ключа и привести к их выходу иэ строя.

Кроме того, протекание обратного тока обуславливает накопление энергии в индуктивных элементах цепи, в ко- 15 торой установлен выключатель. Это накопление энергии влечет повышение амплитуды восстанавливающегося напряжения, которая также может превысить предельно допустимый уровень и вызо- ³⁰ вет выход из строя элементов полупроводникового ключа.

Известно также устройство, в котором демпфирующая цепь содержит только конденсатор, подключенный через ³⁵ выпрямитель параллельно полупроводниковому ключу, а параллельно выпрямителю и последовательно с конденсатором включен разрядный резистор. В этом устройстве может быть 30 обеспечена заданная скорость нарастания восстанавливающегося напряжения, так.как отсутствует скачок напряжения из демпфирующей цепи.

Кроме того, соответствующим вы- 35 бором разрядного резистора могут быть снижены потери энергии в тиристоре полупроводникового ключа [5]Однако отсутствие резистора в демпфирующей цепи приводит к увеличению 40 амплитуды восстанавливающегося напряжения, которая (с учетом обратного тока и чисто индуктивного характера нагрузки при коротком замыкании) значительно превышает двойное 45

напряжение сети. Это влечет либо применение элементов полупроводникового ключа с высоким допустимым напряжением, либо угрозу выхода из строя полупроводниковых элементов при от- 50 ключении полупроводникомым ключом аварийных токов. Таким образом, и в этом устройстве не обеспечивается надежное отключение аварийных токов.

Наиболее близким к предлагаемому 55 устройству по технической сущности является устройство, содержащее полупроводниковый ключ в главной цепи,

демпфирующую цепь, подключенную через выпрямитель параллельно полупроводниковому ключу и состоящую из последовательно соединенных резистора и конденсатора, и разрядный резистор.

Включение в известном устройстве демпфирующей цепи через выпрямитель позволяет снизить общие потери в устройстве за счет уменьшения дополнительных потерь в демпфирующей цепи. Правильный выбор разрядного резистора обеспечивает снижение потерь > энергии в тиристоре полупроводникового ключа, а наличие резистора в демпфирующей цепи позволяет ограничить амплитуду восстанавливающего напряжения Гб]. Однако это устройство также не обеспечивает надежной .работы при отключении аварийных токов, так как в нем имеет место скачок напряжения на резисторе димпфирующей цепи от обратного тока выключаемого элемента. Указанный скачок напряжения может иметь скорость нарастания и амплитуду, превышающие предельно допустимые для тиристора, используемого в составе полупроводникового ключа, что может привести к выходу из стэоя указанного тиристора.

Цель изобретения - повышение надежности при отключении аварийных токов .

Поставленная цель достигается тем, что в выключатель, содержащий полупроводниковый ключ в главной цепи, демпфирующую цепь подключенную через выпрямитель параллельно полупроводниковому ключу и состоящую из последовательно соединенных резистора и конденсатора, и разрядный резистор, введен дополнительный конденсатор, подключенный параллельно резистору демпфирующей цепи.

Именно введение дополнительного конденсатора, подключенного параллельно резистору демпфирующей цепи, обеспечивает повышение надежности при отключении аварийных токов благодаря тому, что исключается скачок напряжения на резисторе демпфирующей цепи от обратного тока выключаемого элемента полупроводникового ключа.

Кроме того, наличие резистора в демпфирующей цепи ограничивает амплитуду восстанавливающегося напряжения, что позволяет снизить класс применяемых полупроводниковых приборов.

5 922894 6

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого выключателя.

В качестве примера конкретного исполнения рассматривается выключатель переменного т^ка, который содержит ⁵ полупроводниковый ключ в главной цепи, состоящий из встречно-параллельно включенных тиристоров 1 и 2.Демпфирующая цепь, состоящая из последовательно соединенных резистора 3 и конденсатора 4, подключена параллельно тиристорам 1 и 2 через выпрямительный мост, состоящий из диодов 5-8. Параллельно резистору 3 демпфирующей цепи подключен дополнитель- ¹⁵ ный конденсатор 9· Выключатель снабжен разрядными резисторами 10-12, причем последовательно с резисторами 11 и 12 включены вспомогательные тиристоры 13 и 14 соответственно. К ²⁰ входным зажимам 15 и 16 выключателя подключается сеть переменного тока , а к выходным зажимам 17 и 18 выключателя подключается нагрузка, представленная на чертеже резистором 19 и дросселем 20..

Выключатель работает следующим образом.

При отсутствии напряжения на входных зажимах 15 и 16 конденсаторы 4 и 9 демпфирующей цепи разряжены и подготовлены к работе. При подаче напряжения сети на входные зажимы 15 и 16 происходит заряд конденсаторов 4 и 9 демпфирующей цепи через ³⁵ диоды 5 и 8 или 7 и 6 (в зависимости от полярности мгновенного значения напряжения сети переменного тока). Постепенность заряда конденсаторов обеспечивает конечьйое и определенное значение скорости нарастания напряжения на тиристорах 1 и 2 полупроводникового ключа. Резистор 3 демпфирующей цепи вносит затухание в процесс заряда конденсаторов 9 и 4, чем ограничивается амплитуда напряжения на тиристорах 1 и 2 (разрядный резистор Ю обладает значительным сопротивлением и влияния на работу демпфирующей цепи не оказывает). По окончании переходного процесса конденсатор 4 заряжен до амплитудного напряжения сети, а конденсатор 9 разряжен.

Во включенном состоянии выключателя ⁵⁵ включены тиристоры 1 и 2 полупроводникового ключа, что обеспечивает протекание переменного тока по нагрузке (резистор 19, дроссель 20). Одновременно с включением тиристоров 1 и 2 включаются вспомогательные тиристоры 13 и 14, что обеспечивает разряд конденсатора 4 по цепи: резистор 3 ~ разрядный резистор 11 вспомогательный тиристор 13 - тиристор 2 (или тиристор 1) - вспомогательный тиристор 14 - разрядный резистор 12. Величина сопротивлений разрядных резисторов 11 и 12 такова, что обеспечивается полный разряд конденсатора 4 демпфирующей цепи за наименьшее заданное время включенного состояния выключателя. В дальнейшем во включенном состоянии выключателя конденсаторы 4 и 9 демпфирующей цепи разряжены.

При отключении выключателя (рассматривается случай отключения аварийного тока) снимается сигнал управления с тиристоров 1 и 2 полупроводникового ключа и со вспомогательных тиристоров 13 и 14. Тиристор 1 (или тиристор 2) выключится, когда ток в его цепи достигнет нулевого значения. Допустим, что к моменту снятия управляющего сигнала в проводящем состоянии находился тиристор 1 (направление прямого тока в нем показано на чертеже сплошной стрелкой). После снятия сигнала управления и достижения током главной цепи нулевого значения в тиристоре 1 имеет место выброс обратного тока (показан на чертеже пунктирной стрелкой), амплитуда которого зависит от амплитуды прямого тока в скрости его спада. Поэтому при отключении аварийных токов амплитуда выброса обратного тока может быть весьма значительной.

В момент достижения обратным током амплитудного значения начинается восстановление запирающих свойств тиристора и цепь протекания обратного тока через тиристор 1 разрывается.

Так как из-за наличия индуктивности в контуре протекания обратного тока (например, индуктивность дросселя 20), последний мгновенно измениться не может, то он переходит через диоды 5 и 8 в демпфирующую цепь, заряжая конденсаторы 4 и 9· Скачка напряжения от обратного тока в устройстве не будет, так как резистор 3 демпфирующей цепи зашунтирован конденсатором 9- По окончании заряда конденсаторов демпфирующей цепи ток пре7 922894

8

рвется и процесс отключения закончится.

В отключенном состоянии выключателя потери в демпфирующей цепи незначительны благодаря тому, что упомя- ₅ нутая цепь подключена через выпрямительный мост. Эти потери определяются в основном потерями в разрядном резисторе 10, а так как величина сопротивления последнего велика, то по-ю тери энергии незначительны. Включение демпфирующей цепи через выпрямитель позволяет применять конденсаторы значительной емкости без ухудшения характеристик выключателя в це- и лом.

Эффективность предлагаемого изобретения подтверждается проведенными расчетами. Так, например, при отключении тока короткого замыкания 20 выключателем переменного тока в сети 400 Гц, линейным напряжением 380 В, индуктивностью контура короткого замыкания 40 мкГ и амплитудой выброса обратного тока 440 А были приняты 25 параметры демпфирующей цепи: конденсатор 9 емкостью 10 мкф, конденсатор 4 емкостью 30 мкф. При указанных условиях величина сопротивления резистора 3 изменялась в пределах зо от 0,1 до 10 Ом. В результате расчета установлено, что амплитуда восстанавливающегося напряжения на тиристорах полупроводникового ключа составила 1280 В при сопротивлении ре- ₃₅ зистора 3 0,1 Ом и 1595 В при сопротивлении резистора 3 10 Ом. Наименьшее значение амплитуды восстанавливающегося напряжения достигается при сопротивлений 0,8 Ом и со- 40 ставляет 1035 В· Во всех случаях скорость нарастания восстанавливающегося напряжения не превосходила 65 В/мкс.

Таким образом, предлагаемый вы- 45 ключатель, по сравнению с известным, обладает повышенной надежностью при отключении аварийных токов,благодаря тому, мто в нем исключается скачок напряжения на резисторе демпфирующей ₅о цепи от обратного тока выключаемого элемента.

Кроме того, включение демпфирующей цепи параллельно полупроводниковому ключу через выпрямитель позво-₅₅ ляет увеличить емкость конденсаторов демпфирующей цепи, не создавая дополнительных потерь энергии. Наличие резистора в демпфирующей цепи ограничивает амплитуду восстанавливающегося напряжения, что, совместно с увеличением емкости, позволяет применять в выключателе тиристоры более низкого класса и с меньшими группами по допустимой скорости нарастания прямого напряжения. Это обеспечивает экономический эффект предлагаемого изобретения. Для разрабатываемого выключателя переменного тока частотой 40 Гц, напряжением 380 В и номинальным током 400 А экономический эффект составит не меньше 200 руб на одно изделие, а при предполагаемом объеме выпуска 30 шт. в год годовой экономический эффект составит 6 тыс. руб.

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Выключатель, содержащий полупроводниковый ключ в главной цепи, демпфирующую цепь, подключенную через выпрямитель параллельного полупроводниковому ключу и состоящую из последовательно соединенных резистора и конденсатора, и разрядный резистор, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности при отключении аварийных токов, в него введен дополнительный конденсатор подключенный параллельно резистору демпфирующей цепи.