ДВУХПОЛЮСНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ С ВАКУУМНЫМИ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩИМИ КАМЕРАМИ
DOUBLE-CONTACT SWITCH WITH VACUUM SWITCHING CHAMBERS

[1] Настоящее изобретение относится к двухполюсному переключателю, содержащему вакуумные переключающие камеры и к гибридному переключающему устройству, содержащему двухполюсный переключатель такого типа.
[2] Обычный принцип переключения для включения и выключения больших токов в переключающих устройствах, по существу заключается в расположении контактов для двойного размыкания, что направляет дугу, возникающую между ними, через отводящие дугу шины в пакетную ловушку в виде деионизационных камер. В этих камерах дуги охлаждаются и делятся на множество под-дуг, что связано с соответствующим умножением напряжения дуги. Когда достигается делящее напряжение дуга гаснет и цепь разрывается. Когда осуществляют переключения сильных переменных токов гашению дуги способствует динамические поля магнитного потока, которые формируются путем придания соответствующей формы проводникам тока в переключающем устройстве. Наоборот, для гашения дуги постоянного тока, применяют поля магнитного потока, которые создаются путем установки постоянных магнитов.
[3] В отличие от этого, в известных переключающих устройствах для переменного тока, уже давно имеющихся на рынке, сравнительно большие переключающие устройства для отключения токов низкой частоты, например, 16 2/3 Гц, и постоянных токов подвержены соответственно боле высоким нагрузкам в результате сниженной или отсутствующей периодичности токового перехода через нуль. Результирующая увеличенная длительность дуги при размыкании приводит к повышенному энергетическому содержанию дуги переключения, чем в переключающих устройствах переменного тока. Это приводит к увеличенному выгоранию материала контактов и, соответственно к высокой тепловой нагрузке в переключающей камере. Тепловая нагрузка такого типа может снизить изоляционную способность в переключающей камере. В результате электрический срок службы переключающего устройства может сокращаться.
[4] Один вариант снижения нагрузки на переключающее устройство, создаваемой дугами, возникающими при переключении, дают гибридные переключатели, которые содержат параллельное соединение механического контактного устройства с электромеханическим приводом, и полупроводниковый силовой переключатель, например, на основе мощного биполярного транзистора с изолированным затвором, описанного, например, в выложенной заявке на патент Германии DE 10315982 A1. При включении он имеет высокое сопротивление так, что токи нагрузки текут исключительно через замкнутые механические контакты. В процессе отключения силовым полупроводником управляют так, что он кратковременно имеет малое сопротивление, поэтому дуговой ток, текущий через механические контакты, кратковременно направляется на параллельный силовой полупроводниковый переключатель; затем он вновь переходит в режим блокирования тока, заставляя ток, направленный на полупроводник, быстро упасть до нуля, не создавая дуги. Применение гибридной конструкции такого типа позволяет существенно снизить эффективную продолжительность дуги и, следовательно, нагрузку на переключатель.
[5] Для увеличения электрического срока службы и получения приемлемых размеров силового полупроводникового переключателя для сильных токов, целесообразно ограничить время потока тока во время процесса выключения. В воздушных переключающих устройствах, особенно для сильных токов, это влечет недостаток, заключающийся в том, что во время процесса переключения с использование типичного механического мостового переключающего устройства, возникают временные флуктуации такого порядка величины, что на практике затруднительно добиться переключения, свободного от возникновения дуги с короткой токовой нагрузкой на силовой полупроводник.
[6] Этот недостаток можно устранить, применяя вакуумную переключающую камеру. В отличие от переключения в воздухе, где воздух в области дуги, возникающей при переключении, частично ионизируется во время процесса переключения, в вакуумной переключающей камере, когда контакты размыкаются под нагрузкой, возникает дуга в парах металла, образованных испаряющимся материалом контактов, и конденсирующихся внутри вакуумной камеры в течение микросекунд с случае нулевого тока, что приводит к буквально мгновенной восстановления пути переключения в отсутствие газовой атмосферы, способной ионизироваться.
[7] Вакуумные переключающие камеры, описанные, например, в выложенной заявке на патент Германии DE 19902498 A1, обычно содержат соединительный электрод, жестко соединенный с корпусом переключающей камеры и содержащие фиксированный контакт на своем внутреннем конце, и противоположный электрод, содержащий скользящий контакт, выполненный с возможностью перемещения по гибкому металлическому сильфону в осевом направлении относительно фиксированного электрода без нарушения вакуумного уплотнения. Двухполюсные переключатели, содержащие вакуумные переключающие камеры известны, напр., из патентных документов DE 38 11 833 A1 и DE 101 57 140 A1 и из описания к патенту US 8,471,166 B1.
В описании к полезной модели Японии JP S49 30856 U описан двухполюсный переключатель, содержащий вакуумные переключающие камеры, имеющий признаки ограничительной части п. 1 формулы.
[8] Целью настоящего изобретения является создание двухполюсного переключателя, содержащего вакуумные камеры, который пригоден, в частности, для применения в гибридном переключателе, другими словами, в переключателе, содержащем содержащим параллельное соединение механического контактного устройства, приводимого в действие электромеханическим способом, и переключателя на силовом полупроводнике.
[9] Эта цель достигается посредством предметов независимых пунктов формулы. Другие варианты изобретения описаны в зависимых пунктах формулы.
[10] Согласно концепции, лежащей в основе настоящего изобретения, предлагается двухполюсный переключатель, содержащий вакуумные переключающие камеры, который образованы так, что когда ток нагрузки, текущий через переключатель, выключается, две пары контактов открываются со взаимным сдвигом во времени. Согласно настоящему изобретению это достигается за счет того, что два перемещаемых электрода переключателя прижаты к фиксированным контактам в вакуумных переключающих камерах посредством контактных пружин, работающих на сжатие, имеющих разную жесткость. В результате разной жесткости пружин, Когда контакты открываются, первая пара контактов открывается прежде, чем откроется вторая пара. В результате двухполюсный переключатель по настоящему изобретению пригоден для применения, в частности, в гибридном переключателе, в котором силовой полупроводниковый переключатель включен параллельно первой паре контактов, которые открываются первыми. Когда первая пара контактов открывается, за счет соединения через силовой полупроводниковый переключатель можно предотвратить возникновение дуги между парой контактов, которые открываются первыми во времени. Блокируя силовой полупроводниковый переключатель во время открывания первой пары контактов, ток нагрузки, переключенный на силовой полупроводниковый переключатель, можно привести к нулю, в частности до того, как откроется вторая пара контактов. В результате, ток нагрузки можно отключать без образования дуги.
[11] Один вариант настоящего изобретения относится к двухполюсному переключателю, содержащему первую и вторую трубчатые вакуумные переключающие камеры, стационарный электрод, расположенный между первой и второй вакуумными переключающими камерами и содержащий первый фиксированный контакт, выступающий в первую вакуумную переключающую камеру, и второй фиксированный контакт, выступающий во вторую вакуумную переключающую камеру, первый электрод, расположенный в первой вакуумной переключающей камере и выполненный с возможностью перемещения в ней в осевом направлении и содержащий область, которая поддерживает контакт и уплотнена относительно пространства снаружи первой вакуумной переключающей камеры без возможности пропускания газа, второй электрод, расположенный во второй вакуумной переключающей камере и выполненный с возможностью перемещения в ней в осевом направлении и содержащий область, которая поддерживает контакт и уплотнена относительно пространства снаружи первой вакуумной переключающей камеры без возможности пропускания газа, первую контактную пружину сжатия для приложения первой упругой силы к первому перемещаемому электроду так, чтобы контакт первого электрода был прижат к фиксированному контакту, выступающему в первую вакуумную переключающую камеру, вторую контактную пружину сжатия для приложения второй упругой силы ко второму перемещаемому электроду так, чтобы контакт второго электрода был прижат к фиксированному контакту, выступающему во вторую вакуумную переключающую камеру, в котором первая упругая сила меньше чем вторая упругая сила.
[12] Вакуумные переключающие камеры могут быть в виде переключающих под-камер разрядника, имеющего, в частности осесимметричную цилиндрическую конфигурацию, при этом переключающие под-камеры, в частности образованы так, чтобы быть подобными или идентичными друг другу. Разрядник такого типа имеет преимущество, заключающееся в том, что вакуумные переключающие камеры могут иметь относительно невысокую техническую сложность.
[13] Разрядник может содержать расположенную приблизительно в его центре перегородку из электропроводного материала для разделения двух вакуумных переключающих камер, которая поддерживает первый фиксированный контакт и второй фиксированный контакт, которые расположены на двух ее сторонах так, чтобы торцы фиксированных контактов были обращены внутрь соответствующей вакуумной переключающей камеры и к области перемещаемого первого и второго электрода, поддерживающую этот контакт.
[14] Альтернативно, разрядник может содержать расположенную приблизительно в его центре перегородку для разделения двух вакуумных переключающих камер, которые образованы так, чтобы действовать как двухполюсное устройство, и контактная поверхность состоит из электропроводного и не поддающегося сварке материала.
[15] Области первого и второго электродов, которые поддерживают контакты могут быть уплотнены газонепроницаемым образом относительно окружающей среды посредством гибких металлических сильфонов.
[16] Разрядник может иметь крышку на каждом из его двух концов и каждый из металлических сильфонов может быть припаян к торцу одной из крышек, а также к одному из перемещаемых электродов, соответственно, в каждом случае через периферийное непроницаемое для вакуума паяное соединение.
[17] Вакуумные переключающие камеры могут быть выполнены как камеры, разделенные газонепроницаемо или частично соединенные так, чтобы иметь общий вакуум.
[18] Для электрической изоляции от перемещаемых первого и второго электродов, стационарный электрод может быть соединен своими периферийными торцами с соответствующей вакуумной переключающей камерой непроницаемо для вакуума, в каждом случае с применением кольцевого изолирующего кольца, в частности, состоящего из керамического материала.
[19] Другой вариант изобретения относится к гибридному переключающему устройству, содержащему первую и вторую электрическую клемму, двухполюсный переключатель по настоящему изобретению, описанный в настоящем документе, привод переключения, содержащий электромеханический привод для перемещения переключающих контактов в осевом направлении вакуумных переключающих камер двухполюсного переключателя, и силовой полупроводниковый переключатель, содержащий первую и вторую клемму, в котором первая клемма силового полупроводникового переключателя и один из перемещаемых электродов двухполюсного переключателя соединены с первой электрической клеммой гибридного переключающего устройства, в котором стационарный электрод двухполюсного переключателя соединен со второй клеммой силового полупроводникового переключателя, в котором другой из перемещаемых электродов двухполюсного переключателя электрически соединен с перемещаемой частью привода переключения.
[20] Другие преимущества и возможные варианты применения настоящего изобретения приведены в нижеследующем описании вариантов, показанных на чертежах.
[21] В описании, формуле изобретения, реферате и на чертежах применяются термины и связанные с ними ссылочные позиции, перечисленные в приведенном ниже перечне.
[22] НА ЧЕРТЕЖАХ:
Фиг. 1 - общий вид в разрезе варианта двухполюсного переключателя, содержащего вакуумные переключающие камеры по настоящему изобретению.
Фиг. 2 - блок-схема для варианта гибридного переключающего устройства по настоящему изобретению.
Фиг. 3-5 - разрезы другого варианта двухполюсного переключателя, содержащего вакуумные переключающие камеры по настоящему изобретению.
[23] В нижеследующем описании похожие, функционально эквивалентные и функционально связанные элементы могут обозначаться одними и теми же ссылочными позициями. Далее абсолютные величины приводятся только для примера и не должны толковаться как ограничивающие настоящее изобретение.
[24] На фиг. 1 показан продольный разрез двухполюсного переключателя, содержащего вакуумный разрядник, имеющий осесимметричную цилиндрическую конфигурацию, содержащую две отдельные переключающие под-камеры 1, 3, в частности, похожей или идентичной конструкции, для механических контактов 10, 30 переключателя. Эти две под-камеры 1, 3 могут быть сконфигурированы либо как полностью отдельные вакуумные камеры, либо они могут быть частично соединены так, чтобы в них находился общий вакуум.
[25] Как показано на фиг. 1, две переключающие под-камеры 1 и 3 разделены в центре вакуумного разрядника перегородкой 4, которая состоит из электропроводного материала и поддерживает два центрально расположенных стационарных переключающих контакта 41, 42 механических контактов 10 и 30, соответственно, торцевые поверхности которых обращены внутрь одной из вакуумных камер.
[26] Кроме того, перегородке может быть придана такая форма, чтобы она сама использовалась как двухполюсная конструкция. В этом случае контактная поверхность перегородки может быть сконфигурирована так, чтобы она состояла из слабо выгорающего материала, который, в то же время, плохо поддается сварке. В случае использования гибридного контактора, работающего без образования дуги, применение слабо выгорающего контактного материала не является абсолютно необходимым; в этом случае достаточно материала, имеющего хорошую электропроводность и достаточное сопротивление сварке.
[27] Переключающие контакты открываются и закрываются медными электродами 11, 31, выполненными с возможностью перемещения в осевом направлении, к внутренним торцевым поверхностям которых прикреплены переключающие контакты 12, 32 механических контактов 10, 30, изготовленные из соответствующего материала, в частности, обладающего достаточным сопротивлением сварке и хорошей электропроводностью. Области двух перемещаемых электродов 11, 31, поддерживающие переключающие контакты, уплотнены относительно внешней для соответствующей переключающей камеры среды гибкими металлическими сильфонами 13, 33. Каждый металлический сильфон 13, 33 припаян торцом, в частности посредством двух периферийных, непроницаемых для вакуума паяных соединений, к соответствующему электроду 11 или 31 и к соответствующей крышке 14 или 34, которая закрывает переключающую под-камеру 1, 3.
[28] Напротив двух перемещаемых электродов 11, 31 имеется общий стационарный электрод в виде вышеупомянутой пластинчатой перегородки 4 переключающей камеры, которая либо соединена по всей своей периферийной поверхности со стенкой соответствующей переключающей под-камеры 1, 3, как отдельная деталь, либо, предпочтительно, сама образует часть стенки 43 переключающей камеры в периферийной области.
[29] Для направления тока нагрузки, стационарный электрод 4 имеет стенку соответствующих размеров и толщины. Для электрической изоляции от двух перемещаемых электродов 11, 31, стационарный электрод 4 соединен периферийными торцевыми поверхностями 43 с кольцевым изолирующим кольцом 15, 35, например, из керамического материала, в направлении соответствующей переключающей камеры 1, 3, непроницаемо для вакуума.
[30] В гибридном переключающем устройстве этот двухполюсный переключатель, содержащий вакуумные переключающие камеры, может - как показано на фиг. 2 - встраиваться так, чтобы один из двух перемещаемых электродов, например, электрод 11, был жестко соединен с электрической клеммой гибридного переключающего устройства планарным электрическим соединением. Стационарный электрод 4 вакуумного разрядника также соединен с гибридным переключающим устройством планарным электрическим соединением так, чтобы механические контакты 10 первой переключающей под-камеры 1, которые, таким образом, подключены, были расположены электрически параллельно силовому полупроводниковому переключателю 20 гибридного переключающего устройства. Второй перемещаемый электрод 31 соединен с перемещаемой частью электромеханического привода гибридного переключающего устройства еще одним планарным электрическим соединением. Механические контакты 30 второй переключающей под-камеры 3, таким образом, находятся электрически последовательно с параллельным узлом, состоящим из силового полупроводникового переключателя 20 и механических контактов 10 первой переключающей под-камеры 1. В случае переключающих действий электромеханический привод 40 гибридного переключающего устройства создает движение перемещаемых контактов в осевом направлении разрядника. Силовой полупроводниковый переключатель 20 управляется переключающей электроникой 50, которая, в свою очередь, обменивается сигналами с электромеханическим приводом 40. Переключающая электроника 50 выполнена так, чтобы управлять временными последовательностями соединения и блокированием силового полупроводникового переключателя 20 в зависимости от состояний переключения двухполюсного переключателя в зависимости от соответствующих сигналов от электромеханического привода 40.
[31] Далее следует описание функциональности двухполюсного переключателя, содержащего вакуумные переключающие камеры в гибридном переключающем устройстве на примере разных состояний переключения двухполюсного переключателя по настоящему изобретению, содержащего вакуумные переключающие камеры, показанных на фиг. 3-5. В этом контексте ссылки также даются на блок-схему, приведенную на фиг. 2, где показана функциональность гибридного переключающего устройства.
[32] На фиг. 3 показан двухполюсный переключатель, проводящий ток нагрузки. В этом случае переключающая электроника не активирует силовой полупроводниковый переключатель 20 и он полностью блокирован, и весь ток нагрузки течет исключительно через полностью замкнутые переключающие контакты 10, 30 двухполюсного переключателя. В этом контексте, магнитный привод 40 гибридного переключающего устройства прижимает перемещаемые контакты 12, 32 разрядника к стационарным контактам 41. 42, расположенным напротив них в центре разрядника. В этом случае действующая контактная сила F1, F2 для каждой пары 12, 41 и 32, 42 контактов является суммой атмосферного давления, действующего на соответствующую вакуумную камеру 1 или 3, и дополнительного давления, передаваемого на перемещаемый переключающий контакт 12 или 32 контактной пружиной 51 или 52 сжатия, соединенной с соответствующими перемещаемыми электродами 11, 31.
[33] На фиг. 4 показано состояние двухполюсного переключателя на первой фазе процесса механического переключения при отключении тока нагрузки. Когда источник питания для обмотки магнитного привода электромеханического привода 40 гибридного переключающего устройства отключается, начинается процесс движения, в котором сила передается на вакуумный разрядник через перемещаемый электрод 31 и приводит к размыканию пары 12, 41 контактов, тогда как пара 32, 42 контактов сначала остается замкнутой. Это объясняется тем, что упругая сила, передаваемая контактной пружиной 51 сжатия, меньше, чем упругая сила контактной пружины 52 сжатия, действующая на пару 32, 42 контактов. В начале процесса механического размыкания силовой полупроводниковый переключатель 20, включенный параллельно переключающей под-камере 1, уже полностью управляется переключающей электроникой 50, на которую электромеханический привод 40 передал сигнал об отключении питания на обмотку магнитного привода до того, как начался процесс механического переключения и, таким образом, когда пара 12, 41 контактов открывается, весь ток нагрузки коммутируется на силовой полупроводниковый выключатель и, в результате, между этими механическими контактами в вакууме дуга возникнуть не может. В этом случае процесс механического размыкания продолжается так, что в результате большей упругой силы контактной пружины 52 сжатия, весь вакуумный разрядник сдвигается в направлении переключающей под-камеры 3, тогда как перемещаемый электрод 11, который жестко соединен с корпусом двухполюсного переключателя, остается на месте. Полное размыкание пары контактов 12, 41 достигается в момент, когда торец переключающей под-камеры 3 достигнет механического упора 55, который жестко соединен с корпусом 56 двухполюсного переключателя. В этот период времени ток нагрузки, коммутированный на силовой полупроводниковый переключатель 20, уже приведен к нулю под управлением переключающей электроники 50 так, что для достижения надежного гальванического разъединения в двухполюсном переключателе, втором пара контактов 3242 вакуумного разрядника в итоге также размыкается без возникновения дуги в вакууме. На этой фазе силовой полупроводниковый переключатель 20 вновь уже полностью заблокирован.
[34] Фаза процесса гальванического разъединения показана на фиг. 5. Когда будет достигнут механический упор 55, дальнейшее движение корпуса разрядника относительно перемещаемого электрода 11 переключающей под-камеры 1 становится невозможным и, поэтому, растягивающая сила магнитного привода электромеханического привода 40 гибридного переключающего устройства, далее действующая на перемещаемый электрод 31 только теперь позволяет паре контактов 32, 42 открыться. Их полное открытие разрывает контакт как только магнитный привод достигнет конечного положения после процесса выключения.
[55] Настоящее изобретение пригодно, в частности, для практически бездугового переключения сильных постоянных и переменных токов. Процессы переключения могут осуществляться практически без подгорания, что увеличивает срок службы переключателя. Двухполюсный переключатель по настоящему изобретению может применяться в контакторах, силовых выключателях и переключателях защиты двигателей, в частности, для переключения постоянных токов и токов низкой частоты.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 - Первая переключающая под-камера
10 - Механические контакты (размыкающие контакты) первой переключающей под-камеры
11 - Перемещаемый электрод первой переключающей под-камеры
12 - Перемещаемый контакт первой переключающей под-камеры
13 - Сильфон первой переключающей под-камеры
14 - Крышка первой переключающей под-камеры
15 - Изолирующее кольцо первой переключающей под-камеры
20 - Силовой полупроводниковый переключатель
3 - Вторая переключающая под-камера
30 - Механические контакты (размыкающие контакты) второй переключающей под-камеры
31 - Перемещаемый электрод второй переключающей под-камеры
32 - Перемещаемый контакт второй переключающей под-камеры
33 - Сильфон второй переключающей под-камеры
34 - Крышка второй переключающей под-камеры
35 - Изолирующее кольцо второй переключающей под-камеры
4 - Перегородка/стационарный электрод
40 - Электромеханический привод
41 - Фиксированный контакт первой переключающей под-камеры
42 - Фиксированный контакт второй переключающей под-камеры
43 - Стенка переключающей камеры стационарного электрода
50 - Электроника переключения
51 - Контактная пружина сжатия первой переключающей под-камеры
52 - Контактная пружина сжатия второй переключающей под-камеры
55 - Механический упор
56 - Корпус двухполюсного переключателя