ГИБРИДНОЕ УСТРОЙСТВО ОТКЛЮЧЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
HYBRID CUTOFF MEMBER FOR ELECTRIC CIRCUIT

Область техники
Изобретение относится к области электрического оборудования, в частности оборудования для высоковольтных электрических сетей постоянного тока (сети HVDC "High Voltage Direct Current") типа сетей, используемых на борту летательных аппаратов, таких как самолеты или вертолеты, или для электрических сетей переменного тока. В частности, изобретение касается устройств отключения и/или коммутации, которые часто имеют функцию защиты цепи (выключатели). Эти устройства можно использовать с постоянным током или с модулированным постоянным током (ШИМ от «широтно-импульсная модуляция») или с переменным током.
В этой области известны электромеханические устройства отключения и коммутации типа контактора или выключателя. Эти устройства являются относительно медленными и, кроме того, подвержены эрозионному износу по причине образования электрических дуг на уровне контактов при размыкании электрической цепи.
Известны также статические контакторы или выключатели, называемые твердотельными регуляторами мощности ("Solid State Power Controller" или SSPC). Иногда этими компонентами заменяют классические электромеханические устройства, и они основаны на структуре из полупроводниковых материалов. Они намного быстрее, чем электромеханические устройства, так как могут прерывать или восстанавливать ток в течение нескольких микросекунд в отличие от нескольких миллисекунд. Кроме того, отсутствие материалов, участвующих в контакте и способствующих образованию электрической дуги, предполагает менее быстрый износ. Наконец, они имеют более тонкие электрические функции, такие как соблюдение кривых срабатывания в зависимости от изменения тока в защищаемой цепи, или регулирование напряжения или тока. Естественно, они являются менее тяжелыми, что является существенным преимуществом в области авиации, и потребляют меньше энергии, что тоже является значительным преимуществом. Даже если их сопротивление в открытом состоянии иногда является довольно высоким, существуют полупроводниковые материалы, такие как SiC, которые имеют более низкое сопротивление и которые, следовательно, являются потенциально совместимыми с напряжениями, присутствующими на первичных цепях.
К сожалению, статические компоненты совсем не обладают свойствами гальванической развязки, что создает проблемы в цепях высокого напряжения, а также в цепях с большой силой тока. Поэтому в настоящее время их применение в летательных аппаратах ограничено некоторыми вспомогательными цепями, где потребляемая мощность является не очень большой.
Было предложено объединить электромеханические системы и статические компоненты параллельно и последовательно, но пока предложенные решения являются слишком тяжелыми, громоздкими и трудно управляемыми.
Сущность изобретения и его преимущества
Для решения вышеупомянутых проблем предложено гибридное устройство отключения для электрической цепи, содержащее статический компонент отключения и электромеханический компонент отключения, при этом статический компонент закреплен на держателе, содержащем электрические контакты для статического компонента, при этом указанный держатель выполнен с возможностью перемещения при получении команды на отключение таким образом, чтобы отвести свои два электрических контакта от соответствующих разъемов, образуя таким образом указанный электромеханический компонент отключения.
Такое устройство исключительно легко интегрировать в цепь, и для его двух компонентов, статического и электромеханического, можно предусмотреть общее централизованное управление. Оно позволяет отказаться от применения плавкого предохранителя и, следовательно, получить выигрыш в полном сопротивлении, запрограммировать циклы отключения, адаптированные к встречающимся аварийным ситуациям, и даже управлять переконфигурированием цепи и сети, например, в случае появления неисправностей.
В варианте выполнения держатель выполнен с возможностью перемещения вращением, что позволяет реализовать компактное устройство, малочувствительное к внешним условиям, в частности к наклону.
В другом варианте выполнения держатель выполнен с возможностью перемещения поступательным движением, что позволяет реализовать устройство, которое может прерывать большие токи, избегая помех для его нормальной работы по причине износа контактов. В этом варианте выполнения предпочтительно движение держателя амортизируется, чтобы избегать отскоков и, следовательно, образования вторичных электрических дуг.
Система может также включать в себя систему гашения электрической дуги, в случае необходимости, основанную на дугогасительной камере, поляризованной магнитом, и с возможным применением газа с высокой диэлектрической прочностью или с применением гашения в вакууме.
Было предложено выполнять статический компонент (или управлять им) для прерывания номинальных токов или слабых токов, при этом электромеханический компонент отключения выполнен (или им управляют) для прерывания токов короткого замыкания или перегрузки и для обеспечения гальванической развязки.
В частности, предложен цикл отключения для тока короткого замыкания, во время которого статический компонент приводят в действие спустя время выжидания после электромеханического размыкания, что позволяет рассеять часть энергии отключения в электрической дуге до приведения в действие статического компонента, который, следовательно, может иметь небольшой размер. Несмотря на это, цикл позволяет очень быстро прерывать большие токи.
Был предложен также цикл отключения для номинального тока или тока слабой силы, во время которого статический компонент приводят в действие до электромеханического размыкания, что обеспечивает очень быстрое отключение в комбинации с эффективной гальванической развязкой после размыкания цепи.
Объектом изобретения является также электрическая цепь постоянного тока или переменного тока, содержащая вышеупомянутое устройство отключения.
В этом случае движение держателя происходит между двумя положениями контакта, соответствующими двум разным конфигурациям цепи.
Объектом изобретения является также электрическая сеть постоянного тока или переменного тока для летательного аппарата, содержащая вышеупомянутую электрическую цепь, при этом устройство отключения находится в первичной цепи сети или во вспомогательной цепи сети.
Список фигур
Фиг. 1 - архитектура, предусмотренная для авиационных электрических сетей.
Фиг. 2 - вариант выполнения гибридного устройства отключения в соответствии с изобретением в положении пропускания тока.
Фиг. 3 - это же устройство отключения во время приведения в действие.
Фиг. 4 - архитектура авиационной электрической сети с использованием варианта выполнения, показанного на фиг. 2 и 3.
Фиг. 5 - второй вариант выполнения гибридного устройства отключения в соответствии с изобретением.
Фиг. 6 - архитектура авиационной электрической сети с использованием варианта выполнения, показанного на фиг. 2, и использование этого устройства отключения для переконфигурирования этой сети.
Фиг. 7 - использование устройства отключения, показанного на фиг. 3 и 4, для переконфигурирования сети, показанной на фиг. 4 и 6.
Далее следует описание изобретения со ссылками на фигуры, которые представлены в качестве иллюстраций и не носят ограничительного характера.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана архитектура авиационной электрической сети. Она включает в себя генератор 10, выдающий переменное напряжение 230 В, и главный выключатель 20, защищающий выход цепи, то есть в первую очередь преобразователь AC/DC 30. Этот преобразователь преобразует переменное напряжение в постоянное напряжение, например 270 В. Затем это напряжение распределяется по трем параллельным цепям, обеспечивающим питание трех нагрузок 51, 52 и 53. Эти нагрузки защищены, каждая, устройством отключения типа статического компонента 41, 42 и 43, а также предохранителем 46, 47 и 48, последовательно соединенным с устройством отключения 41, 42 и 43. Такая архитектура основана на нормальной работе, в ходе которой именно статический компонент защищает нагрузки, но при этом предохранитель обеспечивает изолирование в случае отказа статического компонента для изолирования неисправности (нагрузки) от остальной части электрической сети.
Преимуществом такой архитектуры является ее интегральная концепция, так как предохранитель можно разместить на печатной схеме статического компонента, но она предполагает увеличение полного линейного сопротивления с учетом сопротивления предохранителя, а также риск медленного или неэффективного срабатывания, если ток короткого замыкания близок к току номинала. Кроме того, если срабатывает предохранитель, в дальнейшем необходимо вмешательство для восстановления работы цепи путем замены предохранителя.
Изобретение представлено в связи с электрической сетью, показанной на фиг. 1, которая является сетью постоянного тока, но его можно применять также для электрический сети переменного тока.
На фиг. 2 показано интегрированное устройство 100 отключения, аналогичное устройству, описанному со ссылками на фиг. 1, но позволяющее преодолеть вышеупомянутые трудности.
Статический компонент 101 расположен на плоском прямоугольном держателе 110, имеющем на своих двух концах электрические контакты 111 и 112, обеспечивающие пропускание электрического тока через статический компонент 101. Эти контакты 111 и 112 могут заходить в два разъема 121 и 122, входной и выходной, электрической цепи, в которой располагают устройство отключения. Эти разъемы обеспечивают функцию электрического контакта, но захождение контактов 111 и 112 является реверсивным, то есть статический компонент и его держатель, образующие интегрированное устройство 100 отключения, можно соединять и разъединять с электрической цепью.
Как правило, статический компонент 101 является полупроводниковым коммутационным компонентом, таким как транзистор, компонент MOSFET (полевой транзистор со структурой металл-оксид), компонент IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором), и предпочтительно он покрыт защитной оболочкой.
Привод 130, например электромагнит, позволяет поворачивать держатель 110 вокруг его центральной точки в его плоскости в одном или другом направлении, что приводит к подключению статического компонента или к его отключению. Привод 130 получает управляющую команду в зависимости от измеренного тока или напряжения.
Два электрических полюса 141 и 142, расположенные относительно разъемов 121 и 122 под углом 90° вокруг оси вращения, соединяются с электрическими контактами 111 и 112 после поворота на 90° статического компонента и, если эти полюсы соединены с цепью, позволяют произвести коммутацию цепи, как будет показано ниже со ссылками на фиг. 8. Между каждым из разъемов 121 и 122 и полюсов 141 и 142 установлены дугогасительные камеры 151, 152, 153 и 154, содержащие, например, дугогасительные решетки и газовую смесь, способствующую гашению электрических дуг, такую как азот (N2). Можно также использовать систему с применением газа высокой диэлектрической прочности или гашения в вакууме.
Если ток продолжает проходить после приведения в действие электромеханической части, образуются электрические дуги, втягиваемые и разбиваемые на фрагменты в дугогасительных камерах, в которые перемещаются контакты 111 и 112 после их отсоединения от полюсов 121 и 122.
Предпочтительно используют поляризованные дугогасительные камеры, чтобы скорость втягивания электрической дуги была достаточно высокой и позволяла повысить эффективность прерывания тока.
Поляризация представлена на фиг. 3, где показано магнитное поле, которое является перпендикулярным к плоскости держателя 110 статического компонента 101, то есть является также перпендикулярным к плоскости вращения. В частности, показано магнитное поле В1 в дугогасительной камере 151 между полюсами 121 и 142 и магнитное поле В2 в дугогасительной камере 153 между полюсами 141 и 122. Поля В1 и В2 являются разнонаправленными. Электрический ток поступает через контакт 121, как показано стрелками i1 и i2.
На этой фигуре показано также движение держателя 110 во время размыкания электромеханической части устройства отключения. Контакт 111 перемещается от полюса 121 к полюсу 142, а контакт 112 перемещается от полюса 122 к полюсу 141. Между контактом 111 и полюсом 121 и между контактом 112 и полюсом 122 образуются электрические дуги. Эти дуги втягиваются и разбиваются на фрагменты в дугогасительных камерах 151 и 153, благодаря их поляризации, а также благодаря наличию металлических решеток. Стрелки 161 и 162 показывают направление втягивания двух электрических дуг, то есть в направлении наружу устройства.
Такая ситуация, при которой ток проходит в момент активации электромеханической части, представляет интерес для больших токов, таких как токи короткого замыкания или токи, сила которых превышает порог или которые имеют очень большое отклонение. Эту стратегию применяют также, если дугогасительная камера эффективно разбивает электрическую дугу на фрагменты, что зависит от характеристик дугогасительной камеры и от силы тока.
В этом случае предложено приводить в действие электромеханическую часть при помощи команды, направляемой в привод 130, который обеспечивает движения, показанные на фиг. 3. Затем, спустя несколько мгновений, команду направляют в статический компонент 101, чтобы он тоже прервал прохождение тока.
Физически цикл предполагает образование электрических дуг, показанных на фиг. 3, при этом напряжение дуги тем выше, чем эффективнее выполняет свою функцию дугогасительная камера. При этом мощность Р, выдаваемая генератором 10, рассеивается частично и даже полностью в электрических дугах, и сила тока следует правилу I=P/U, где U является напряжением дуги, которое доводится до максимума дугогасительной камерой. Получают ток, который быстро уменьшается и исчезает, если предположить, что статический компонент 101 не приведен в действие, в течение одной миллисекунды. Однако изобретением предложено приводить в действие статический компонент 101, например, спустя 100 или 400 мкс в зависимости от рассматриваемой электрической мощности. Такой цикл позволяет рассеивать часть электрической энергии в электрической дуге, не создавая сильной эрозии электрических контактов 121, 111, 122 и 112. Он позволяет предусматривать размерность статического компонента 101 только для прерывания токов ограниченной силы, что позволяет сохранить компактность устройства. Наконец, общее время отключения является коротким по сравнению с классическим электромеханическим устройством, так как можно достичь 10-кратной разницы между временем отключения, обычно обеспечиваемым классическими электромеханическими устройствами, и гибридными устройствами, описанными в заявке и использующими упомянутый цикл.
Кроме того, в случае необходимости, можно адаптировать цикл к термическому состоянию статического компонента.
Вместе с тем, это же интегрированное устройство 100 отключения, показанное на фиг. 2, можно использовать для прерывания номинальных или очень слабых токов. С другой стороны, в этом случае управление устройством происходит согласно обратному циклу, так как для таких токов дугогасительная камера будет мало эффективной, и время отключения в конечном счете будет длительным. Так, команда сначала активирует статический компонент 101, затем активирует электромеханическую часть системы для обеспечения физического разрыва электрической цепи. Статический компонент 101 позволяет получать очень короткое время отключения. При этом его размерность можно предусмотреть таким образом, чтобы он не был слишком габаритным, поскольку речь идет о прерывании только слабых токов.
На фиг. 4 показана авиационная электрическая цепь, в которую включено устройство 100 отключения. Здесь показаны большинство элементов цепи, показанных на фиг. 1, но пары предохранители + статический компонент 41, 46, с одной стороны, 42, 47, с другой стороны, и, наконец, 43, 48 заменены соответственно гибридными устройствами 100 отключения. Возможность их подсоединения и отсоединения показана двойными стрелками. Первое из гибридных устройств отключения показано в коммутированном положении, поскольку контакты разомкнуты и держатель повернут на 90°.
Представленное гибридное устройство 100 отключения установлено на держателе 110, выполненном с возможностью поворота вокруг оси. Его преимуществами являются компактная конструкция и надежная работа в самых разных условиях и направлениях.
На фиг. 5 представлен другой пример выполнения, основанный на держателе 510, выполненном с возможностью поступательного движения. Речь идет о гибридном устройстве 500 отключения.
Аналогично варианту, представленному со ссылками на фиг. 2, статический компонент 501 установлен на плоском прямоугольном держателе 510, имеющем на своих двух концах электрические контакты 511 и 512, обеспечивающие пропускание электрического тока через статический компонент 501. Его выводы 511 и 512 входят в электрический контакт с входным и выходным выводами 521 и 522 электрической цепи, в которую включено устройство отключения. Подключение контактов 111 и 112 является реверсивным.
Привод 530, например электромагнит, обеспечивает поступательное движение держателя 510 перпендикулярно к линии выводов 521 и 522, то есть перпендикулярно также к линии контактов 511 и 512, что приводит к электрическому соединению или отсоединению статического компонента. Привод получает команду на управление в зависимости от измеренного тока и/или напряжения. Пружины 531 и 532 обеспечивают упругое размыкание и замыкание электромеханической системы, что может приводить к образованию вторичных электрических дуг. Предпочтительно устройство расположено вертикально, то есть пружина 531, держатель 510 и пружина 532 расположены последовательно сверху вниз.
Электрические полюсы 541 и 542, расположенные относительно разъемов 521 и 522 на некотором расстоянии параллельно оси поступательного движения, обеспечивают подсоединение электрических контактов 511 и 512 после поступательного перемещения статического компонента и его держателя и, если эти полюсы подключены к цепи, коммутацию цепи, как будет пояснено со ссылками на фиг. 7. Между полюсами 521 и 541 и полюсами 522 и 542 установлены дугогасительные камеры 551 и 552, содержащие, например, дугогасительные решетки и газовую смесь, способствующую гашению электрических дуг. Система втягивания электрических дуг аналогична описанной выше системе. Она предусматривает поляризацию с разнонаправленными магнитными полями В1 и В2 в камерах 511 и 522 для втягивания дуг в направлении наружу устройства 500 отключения. В данном случае дуги показаны в случае перемещения держателя 510 от полюсов 541, 542 к полюсам 521, 522. Направление тока показано стрелками i1, i2, а сила втягивания - стрелками 561, 562.
Этот вариант выполнения, основанный на системе с поступательным движением, представляет особый интерес для прерывания сильных токов, так как в случае деградации поверхности контактов и полюсов 511, 512, 521, 522, 541 и 542 функция контакта продолжает обеспечиваться и остается возможным поступательное движение. Таким образом, система является исключительно надежной даже при больших значениях мощности.
На фиг. 6 представлен пример переконфигурирования цепи с использованием устройства 500 отключения. Здесь тоже показаны большинство элементов, присутствующих на фиг. 1, но пары предохранители + статический компонент 41, 46, с одной стороны, 42, 47, с другой стороны, и, наконец, 43, 48 заменены соответственно гибридными устройствами 500 отключения.
Представленное переконфигурирование осуществляют в случае неисправности устройства управления, управляющего устройством отключения, защищающим нагрузку 51 (неисправность показана в виде молнии). Устройство отключения отводится при помощи электромеханической функции устройства. Если нагрузка 51 является приоритетной системой, для которой необходимо обеспечить непрерывность работы, что не относится к нагрузке 52, то для питания и защиты нагрузки 51 используют устройство отключения, защищающее нагрузку 52. Это происходит за счет поступательного перемещения устройства отключения нагрузки 52 от полюсов 521 и 522, которые предназначены для подачи тока на нагрузку 52, к полюсам 541 и 542, которые выполнены с возможностью аварийной подачи тока на нагрузку 51.
На фиг. 7 показан другой пример переконфигурирования цепи, очень сходный с вариантом, показанным на фиг. 6, но с использованием гибридного устройства 100 отключения, основанного на вращении. В данном случае приоритетной тоже считается нагрузка 51, но ее устройство отключения неисправно. Устройство отводят посредством его поворота, затем поворачивают также устройство отключения, питающее нагрузку 52, таким образом, чтобы оно не входило больше в контакт с полюсами 121 и 122, предназначенными для питания нагрузки 52, и вошло в контакт с полюсами 141 и 142, расположенными для обеспечения аварийного питания нагрузки 51.
Варианты переконфигурирования сети, представленные на фиг. 6 и 7, позволяют повысить надежность системы. Их можно применять на вспомогательной сети, а также на первичной сети, благодаря способности представленных устройств отключения прерывать сильные токи.
Изобретение не ограничивается представленными вариантами выполнения. В частности, не обязательно применять принципы изобретения для перемещения двух контактов держателя, на котором установлен статический компонент отключения. Так, вышеупомянутые функции может выполнять также система с вращением вокруг оси, находящейся на уровне одного из двух контактов, с тремя полюсами вместо четырех.