ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DC VOLTAGE SWITCH

Изобретение касается выключателя постоянного напряжения, имеющего два разъема, между которыми размещается цепь рабочего тока, включающая в себя механический выключатель, и параллельно ей цепь вторичного тока, включающая в себя полупроводниковый выключатель.
Отключение постоянного тока (DC-тока) в связи с отсутствием перехода через ноль труднее, чем отключение переменного тока (AC-тока). В то время как электрическая дуга, возникающая при размыкании контактов, в случае AC-тока при надлежащем расчете гаснет при очередном переходе через ноль, в случае DC-тока она продолжает гореть даже через большие промежутки до разрушения выключателя.
Известны разные концепции осуществления надежного отключения DC-тока. Одна из таких концепций основывается на том, что создается встречный ток, который компенсирует нагрузочный ток, так что ток в механическом выключателе совершает переход через ноль. Тогда выключатель может размыкаться в обесточенном состоянии, так что электрическая дуга не возникает или гаснет. В другой концепции ток сначала коммутируется в полупроводниковый выключатель, которым он может отключаться при отсутствии электрической дуги.
Основная проблема при отключении постоянного тока заключается в том, что индуктивно аккумулированная в сети постоянного напряжения энергия должна отводиться так, чтобы предотвращалось повреждение компонентов сети постоянного напряжения. Известно применение для этого элементов, ограничивающих напряжение. Но они имеют ограниченный срок службы.
Задачей настоящего изобретения является предложить выключатель постоянного напряжения, позволяющий получить усовершенствованный отвод энергии, индуктивно аккумулированной в сети постоянного напряжения.
Эта задача решается с помощью выключателя напряжения постоянного тока с признаками п.1 формулы изобретения.
Предлагаемый изобретением выключатель постоянного напряжения имеет первый и второй разъем для последовательной врезки в первый полюс сети постоянного напряжения. Между разъемами распространяется цепь вторичного тока, включающая в себя полупроводниковый выключатель, и параллельно цепи вторичного тока установлена цепь рабочего тока, включающая в себя механический выключатель и последовательно с ним обмотку первичной стороны трансформатора. Обмотка вторичной стороны трансформатора включена между источником напряжения и третьим разъемом для врезки во второй полюс сети постоянного напряжения. Между источником напряжения и третьим разъемом последовательно с обмоткой вторичной стороны трансформатора установлен выключатель. Источник напряжения через диод и зарядное сопротивление соединен также с первым разъемом. Наконец, имеется устройство управления для активирования выключателя, которое выполнено, чтобы после размыкания механического выключателя повторно определять напряжение источника напряжения и включать выключатель с интервалами таким образом, чтобы определенное напряжение оставалось ниже задаваемого порогового значения.
Предпочтительно у предлагаемого изобретением выключателя постоянного напряжения индуктивно аккумулированная в сети постоянного напряжения энергия отводится непосредственно через выключатель. Другие элементы для ограничения избыточного напряжения, такие как варисторы, не нужны. Когда управление отключило выключатель, напряжение через источник напряжения со временем возрастает, пока еще есть индуктивно аккумулированная энергия. Управление регистрирует напряжение через источник напряжения непрерывно или с интервалами. Если превышается или достигается задаваемое пороговое значение напряжения, которое лежит выше рабочего напряжения сети постоянного напряжения, выключатель включается. При этом возникает цепь тока от первого полюса сети постоянного напряжения ко второму полюсу сети постоянного напряжения. Тем самым создается ограниченный во времени гасящий контур, и напряжение на источнике напряжения падает.
Целесообразным образом управление снова отключает выключатель, когда напряжение падает ниже другого порогового значения. Это другое пороговое значение может соответствовать данному пороговому значению или же лежать ниже данного порогового значения. Целесообразным образом другое пороговое значение также лежит выше рабочего напряжения сети постоянного напряжения.
Предпочтительные варианты осуществления предлагаемого изобретением выключателя постоянного напряжения вытекают из пунктов формулы изобретения, зависимых от п.1 формулы изобретения. При этом вариант осуществления по п.1 формулы изобретения может комбинироваться с признаками одного из зависимых пунктов формулы изобретения или предпочтительно также с признаками из нескольких зависимых пунктов формулы изобретения. Соответственно этому, для выключателя напряжения постоянного тока могут также дополнительно предусматриваться следующие признаки:
- третий разъем вместо второго полюса сети постоянного напряжения может также соединяться с другим потенциалом земли;
- параллельно вторичной стороне трансформатора может быть включено второе сопротивление. Это сопротивление предпочтительно параметрировано так, что по меньшей мере максимально отключаемый ток может утекать при номинальном напряжении;
- параллельно вторичной стороне трансформатора может быть включен диод;
- цепь вторичного тока может включать в себя два антипоследовательно включенных выключателя высокой мощности, а цепь главного тока первичную сторону другого трансформатора. Таким образом выключатель напряжения постоянного тока может выполняться как двунаправленный выключатель. Другими словами, при этом выключатель становится способен отключать постоянный ток двух направлений. При этом целесообразно, если вторичные стороны трансформаторов включены последовательно, и обращенный от вторичной стороны трансформатора разъем вторичной стороны другого трансформатора через другой выключатель соединен с третьим разъемом;
- источник напряжения включает в себя предпочтительно устройство для аккумулирования энергии, в частности конденсатор. Конденсатор пригоден, прежде всего, для быстрой отдачи необходимой энергии, чтобы компенсировать ток короткого замыкания или же нормальный рабочий ток в сети постоянного напряжения и таким образом заставлять ток проходить через ноль;
- источник напряжения может быть предусмотрен в виде отдельного устройства, например, в виде отдельного конденсатора, который подключен к трансформатору независимо от других компонентов сети постоянного напряжения. Тем самым может обеспечиваться готовность источника напряжения, независимо от прочих имеющихся условий, например, с помощью собственной схемы зарядки для источника напряжения;
- источник напряжения может быть выполнен в виде части другой схемы, например, в виде конденсатора промежуточного контура преобразователя, который, например, связан с сетью постоянного напряжения иным образом. Благодаря этому вновь используются имеющиеся ресурсы конструкции, и при этом достигается экономия компонентов в целом;
- механический выключатель может иметь время переключения меньше 5 мс. Так как переход тока через ноль основывается на разряде аккумулятора энергии, период времени, в течение которого происходит переход тока через ноль, обычно ограничен только несколькими миллисекундами. Предпочтительно механический выключатель может размыкаться в течение этого времени, чтобы осуществлять надежное подавление или гашение электрической дуги;
- устройство может быть выполнено таким образом, чтобы обмотка вторичной стороны трансформатора могла замыкаться накоротко. Для этого может быть предусмотрено, например, снабженное полупроводниковым выключателем или быстрым механическим выключателем соединение между концами обмотки вторичной стороны трансформатора. При коротком замыкании обмотки вторичной стороны трансформатора индуктивность обмотки первичной стороны трансформатора падает до очень низкого значения, и при этом предпочтительно предотвращается влияние обмотки первичной стороны трансформатора на свойства сети постоянного напряжения.
Теперь предпочтительные, но ни в коем случае не ограничивающие примеры осуществления изобретения поясняются подробнее с помощью фигур чертежа. При этом признаки изображены схематично, и показано:
фиг.1: однонаправленный выключатель постоянного напряжения на фрагменте сети постоянного напряжения;
фиг.2: двунаправленный выключатель постоянного напряжения тока на фрагменте сети постоянного напряжения.
На фиг.1 показан в качестве примера осуществления изобретения выключатель 12 постоянного напряжения на фрагменте из сети 10 постоянного напряжения. Сеть 10 постоянного напряжения питается от источника 11 постоянного напряжения и таким образом находится под постоянным напряжением. Сеть 10 постоянного напряжения может представлять собой сеть в системе электроснабжения с электропередачей постоянным током высокого напряжения или, например, сеть в транспортном средстве, например, локомотиве или моторном вагоне или в области запитывания в сеть для электроприводных транспортных средств. Вообще, этот принцип применим ко всем уровням напряжения, от низкого напряжения, к среднему напряжению до высокого напряжения. Между не изображенной нагрузкой и источником 11 постоянного напряжения установлен выключатель 12 постоянного напряжения. Причем этот выключатель 12 постоянного напряжения с помощью первой и второй соединительной клеммы 121, 122 последовательно врезан в первый полюс 111 сети 10 постоянного напряжения. Третья соединительная клемма 123 соединена со вторым полюсом сети 10 постоянного напряжения.
Между первой и второй соединительной клеммой 121, 122 выключатель 12 постоянного напряжения имеет последовательную схему из обмотки первичной стороны трансформатора 14 и механического выключателя 13. Эта последовательная схема представляет собой главную цепь тока, по которой течет ток в нормальном режиме сети 10 постоянного напряжения. Механический выключатель 13 и первичная обмотка трансформатора 14 обладают только чрезвычайно небольшим сопротивлением и поэтому вызывают только очень небольшие потери. Параллельно этой последовательной схеме установлен главный выключатель 15 в виде БТИЗа (биполярный транзистор с изолированным затвором), который представляет собой цепь вторичного тока, по которой в нормальном режиме ток не протекает или, соответственно, протекает только в небольшой степени, так как БТИЗ, даже включенный, имеет заметно более высокое сопротивление или падение напряжения, чем механический выключатель 13.
Выключатель 12 постоянного напряжения включает в себя также гасящую цепь через гасящий диод 19 в качестве соединения между второй и третьей соединительной клеммой 122, 123. Гасящая цепь является опциональной и монтируется тогда, когда есть вероятность, что энергия, аккумулированная в индуктивности 1111 сети, например, в кабелях, при быстром прерывании тока может приводить к разрушениям.
Начинаясь от первой из соединительных клемм 121, к которой обращена первичная обмотка трансформатора 14, имеется другое соединение через диод 163 и зарядное сопротивление 162 с конденсатором 161. Находящийся в стороне от него разъем конденсатора 161 соединен с третьей соединительной клеммой 123.
Точка потенциала между конденсатором 161 и зарядным сопротивлением 162 соединена с вторичной обмоткой трансформатора 14. Дальше от нее установлен выключатель 152 в виде БТИЗа, второй разъем которого соединен с третьей соединительной клеммой 123 и вместе с тем со вторым полюсом сети 10 постоянного напряжения. В случае нормальной работы выключатель 152 отключен, так что конденсатор 161 не может разряжаться. Конденсатор 161 в случае нормального режима постоянно заряжен.
Путем выбора коэффициента трансформации в трансформаторе 14 может определяться необходимое напряжение для конденсатора 161 и вместе с тем точный расчет компонентов. При этом компоненты могут, например, оптимизироваться для быстрого отключения или для небольших конструктивных размеров. Для отношения чисел витков между первичной стороной и вторичной стороной трансформатора 14 целесообразным образом используются значения от 0,01 до 0,1. На вторичной стороне необходимо только напряжение, которое больше падения напряжения на полупроводниках при коммутируемом токе, что составляет меньше 10 В при использовании низкого напряжения. Необходимая емкость конденсатора 161 и высота необходимого напряжения получаются из напряжения сети 10 постоянного напряжения и коэффициента трансформации трансформатора 14.
Сначала в нормальном режиме весь ток течет через механический выключатель 13. Для инициирования процесса отключения управление 17 выключателя 12 постоянного напряжения сначала включает главный выключатель 15. Из-за большего сопротивления в пропускном направлении сначала только небольшая часть тока будет коммутироваться от механического выключателя 13 в главный выключатель 15. Чтобы вызвать эту коммутацию, включается выключатель 152, вследствие чего конденсатор 161 разряжается через трансформатор 14. При этом создается напряжение в главной цепи тока, включающей в себя механический выключатель 13, так что ток полностью коммутируется в главный выключатель 15. Затем механический выключатель 13 размыкается в обесточенном состоянии, и выключатель 152 снова замыкается. Теперь в последнем шаге нужно также отключить главный выключатель 15, чтобы полностью прервалось течение тока. Аккумулированная в индуктивности 1112 сети энергия может разряжаться через гасящий диод 19. Энергия в индуктивности 1111 сети создавала бы на входе выключателя 12 постоянного напряжения высокое избыточное напряжение. Для отвода этой энергии и ограничения напряжения выключатель 152 теперь снова периодически включается и выключается. При этом энергия в зарядном сопротивлении 162 преобразуется в тепло, и течение тока отводится через индуктивность 1111 сети, диод 163 и зарядное сопротивление 162. В паузах между импульсами, когда выключатель 152 отключен, ток может продолжать течь в конденсатор 161, так чтобы не происходил быстрый обрыв тока. Тогда в те периоды, когда выключатель 152 включен, конденсатор 161 снова несколько разряжается для ограничения напряжения.
Второй пример осуществления изобретения изображен на фиг.2. Выключатель 20 постоянного напряжения в соответствии с фиг.2 в противоположность выключателю 12 постоянного напряжения с фиг.1 рассчитан на возможность двунаправленной работы, т.е. возможность отключения течения тока в двух направлениях. Совпадающие компоненты двух выключателей 12, 12 напряжения постоянного тока снабжены одинаковыми ссылочными обозначениями. При этом выключатель 20, в свою очередь, с помощью первой и второй соединительной клеммы 121, 122 последовательно врезан в первый полюс 111 сети 10 постоянного напряжения. Третья соединительная клемма 123 соединена со вторым полюсом сети 10 постоянного напряжения.
Между первой и второй соединительной клеммой 121, 122 выключатель 20 постоянного напряжения имеет последовательную схему из обмотки первичной стороны трансформатора 14, механического выключателя 13 и обмотки первичной стороны другого трансформатора 24. Эта последовательная схема представляет собой главную цепь тока, по которой ток течет в нормальном режиме сети 10 постоянного напряжения. Параллельно последовательной схеме установлена другая последовательная схема из главного выключателя 15 и антипоследовательно установленного другого главного выключателя 25, которая представляет собой цепь вторичного тока. Параллельно главному выключателю 15 включен диод 163, при этом он может быть интегрирован в качестве конструктивного элемента в главный выключатель 15. Параллельно другому главному выключателю 25 включен диод 263, при этом он может быть интегрирован в качестве конструктивного элемента в другой главный выключатель 25.
Выключатель 12 постоянного напряжения включает в себя также гасящую цепь через гасящий диод 19 в качестве соединения между второй и третьей соединительной клеммой 122, 123 и другую гасящую цепь, имеющую другой гасящий диод 191, между первой и третьей соединительной клеммой 121, 123.
Начинаясь от точки потенциала между главным выключателем 15 и другим главным выключателем 25, имеется соединение через зарядное сопротивление 162 с конденсатором 161. Находящийся в стороне от него разъем конденсатора 161 соединен с третьей соединительной клеммой 123.
Точка потенциала между конденсатором 161 и зарядным сопротивлением 162 соединена с вторичной обмоткой трансформатора 14. Дальше от нее установлен выключатель 152, второй разъем которого соединен с третьей соединительной клеммой 123 и вместе с тем со вторым полюсом сети 10 постоянного напряжения. Между выключателем 152 и конденсатором 161 параллельно вторичной обмотке трансформатора 14 установлен диод 271.
Точка потенциала между конденсатором 161 и зарядным сопротивлением 162 соединена также с вторичной обмоткой другого трансформатора 24. Дальше от нее установлен другой выключатель 252, второй разъем которого соединен с третьей соединительной клеммой 123 и вместе с тем со вторым полюсом сети 10 постоянного напряжения. Между другим выключателем 252 и конденсатором 161 параллельно вторичной обмотке другого трансформатора 24 установлен диод 272.
Двунаправленный выключатель 20 постоянного напряжения включает в себя, другими словами, два антипоследовательно включенных однонаправленных выключателя 12 постоянного напряжения, при этом элементы механический выключатель 13, зарядное сопротивление 162 и конденсатор 161 необходимы только в одном экземпляре.
При отключении тока слева направо, т.е. со стороны индуктивности 1111 сети, создание импульса выключателем 152 и трансформатором 14 используется для создания напряжения коммутации и для отвода энергии в индуктивности 1111 сети. Гасящий диод 19 служит для отвода энергии в индуктивности 1112 сети.
При отключении тока справа налево создание импульса другим выключателем 252 и другим трансформатором 24 используется для создания напряжения коммутации и для отвода энергии в индуктивности 1112 сети. Гасящий диод 191 служит для отвода энергии в индуктивности 1111 сети. Оба диода 271, 272 параллельно вторичным обмоткам трансформаторов 14, 24 служат в качестве гасящего контура для индуктивностей рассеяния и могут также заменяться сопротивлениями, аналогично однонаправленному выключателю 12 постоянного напряжения.