ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КОММУТАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности, к построению групповых коммутаторов постоянного тока.
Известны групповые коммутаторы постоянного тока, построенные на базе проходных транзисторных ключей, которые имеют общую систему управления, общее охлаждение и т д. Информация о таких групповых коммутаторах приведена в изд. МЭИ «Электрооборудование летательных аппаратов», том 1, 2005 г., стр. 468-472.
Недостаток подобных устройств заключается, главным образом, в повышенном падении напряжения на каждом из проходных ключей и, следовательно, в повышенных потерях энергии, что требует эффективного охлаждения.
В силу этого подобные ключи группируются не более 10 штук в едином устройстве, рассчитываются на небольшие токи и напряжения коммутируемых нагрузок и имеют, как правило, устройства принудительного охлаждения.
Построение групповых коммутаторов на базе обычных контакторов с электромагнитным управлением позволяет значительно повысить мощность потребителей электроэнергии и величину напряжения их питания, однако имеют все те же недостатки, которыми обладает отдельно взятый контактор:
- изменение падения напряжения на главных контактах в процессе эксплуатации в 2-3 раза,
- искрообразование при коммутации и, следовательно, создание помех в сети,
- невысокая надежность из-за эрозии, окисления, пригорания контактов,
- дребезг контактов, искрение, дугообразование, создающие при коммутации электромагнитные помехи в широком частотном диапазоне, что обуславливает низкую электромагнитную совместимость контактных аппаратов с сетью,
- малый срок службы из-за быстрого износа контактов.
При этом все вышеперечисленные недостатки контакторов обусловлены, практически, одной причиной - дугообразованием в момент размыкания главных контактов. Эта проблема является ключевой и ее решению посвящен ряд работ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство «Контактор постоянного тока с бездуговой коммутацией» патент РФ №2100861, кл. H01H 9/30 опубл. 27.12.1997 г., в котором контактор постоянного тока с бездуговой коммутацией содержит тиристоры, используемые для шунтирования тока главных контактов контактора при его выключении.
Основным недостатком данного устройства является его сложность и многоэлементность, пониженная помехозащищенность, связанная с узлом искусственной коммутации силового тиристора, а также использование дополнительных контактов собственно контактора. Особенно эти недостатки проявляются при групповом включении таких устройств.
Технической задачей заявляемой полезной модели является упрощение конструкции многоканального коммутирующего устройства для n-коммутируемых цепей при одновременном повышении его эксплуатационной надежности.
Технический результат достигается в высоковольтном коммутаторе постоянного тока, содержащем n-контакторов, силовые главные контакты каждого из которых включены последовательно в цепь n-нагрузок, полупроводниковое коммутирующее устройство, шунтирующее каждый из n-контакторов, а также систему управления обмотками каждого из n-контакторов и систему управления полупроводниковым коммутирующим устройством. Полупроводниковое коммутирующее устройство содержит силовой транзистор и распределительные n-тиристоры. Коллектор силового транзистора подключен к источнику питания и к точке объединения первых выводов главных контактов n-контакторов, а эмиттер силового транзистора подключен к точке объединения анодов n-тиристоров, катод каждого из которых подключен ко второму выводу главных контактов каждого из n-контакторов. Мощность транзисторного ключа выбирается в соответствии с максимальной мощностью i-го потребителя электроэнергии, а в случае поступления сигналов на выключение нескольких n-контакторов одновременно, включение тиристоров осуществляется с интервалом времени 5÷7 мс.
Предлагаемая полезная модель позволяет не только упростить устройство бездуговой коммутации одного отдельно взятого контактора, но и обеспечить бездуговую коммутацию n-силовых контакторов при одном едином полупроводниковом коммутирующем устройстве. Это позволяет повысить эксплуатационную надежность коммутирующих устройств на базе контакторов с электромагнитным управлением, увеличить их ресурс и электромагнитную устойчивость сети.
На фиг.1 представлена функциональная схема высоковольтного коммутатора постоянного тока для 3-х цепей потребителей, где:
1÷3 - главные силовые контакты контакторов;
4÷6 - обмотки управления контактора;
7÷9 - устройства управления обмотками контакторов;
10 - силовой транзисторный ключ;
11÷13 - распределительные тиристоры;
14 - объединенная система управления транзистором и тиристорами;
15÷17 - n-потребителей энергии;
18 - источник питания постоянного тока.
Высоковольтный коммутатор постоянного тока работает следующим образом.
В моменты времени, когда силовые главные контакты 1÷13 каждого (или части) из n-контакторов замкнуты, источник питания 18 подключен к соответствующему потребителю электроэнергии. Устройство управления обмотками контакторов обеспечивает их питание постоянным током. Силовой транзисторный ключ 10 и распределительные тиристоры 11÷13 выключены.
Однако, в моменты размыкания главных контактов контакторов, например, 1, сигнал от устройства 7 управления обмотками контакторов поступает в объединенную систему управления 14, которая включает силовой транзисторный ключ 10 и распределительный тиристор 13, создавая путь к потребителю энергии 15 по цепи: источник питания 18 - силовой транзисторный ключ 10 - распределительный тиристор 13.
Причем, так как дугообразование в контактах контактора происходит при достижении падения напряжения на них порядка 20÷24 В, то этого напряжения достаточно для включения последовательной цепи из силового транзисторного ключа 10 и распределительного тиристора 13.
При этом время включения силового транзисторного ключа выбирается с помощью объединенной системы управления 14 на уровне 5÷7 мс, после чего силовой транзисторный ключ запирается и, следовательно, выключается и включенный с ним последовательно распределительный тиристор 13.
При коммутации любой другой из n-цепей процессы проходят аналогично.
Отличительной особенностью данного устройства является не только наличие единого устройства коммутации в виде силового транзисторного ключа, но и то, что этот силовой транзисторный ключ выбирается не на сумму мощностей коммутируемых нагрузок n-потребителей энергии 15÷17, а только на мощность одного наиболее мощного потребителя энергии (с учетом циклограммы коммутации нагрузок). В этом случае коммутация любой из n-цепей обеспечивается с определенным запасом. В то же время мощность тиристоров выбирается в соответствии с коммутируемой нагрузкой в отдельно взятой цепи, к которой он подключен.
При этом, если коммутируются одновременно несколько нагрузок то, чтобы не переразмеривать силовой транзисторный ключ по мощности, предлагается осуществлять коммутацию цепей путем введения задержки на включение распределительных тиристоров 11÷13 на время ориентировочно 5÷7 мс, и только после выключения всех необходимых нагрузок выключать силовой транзисторный ключ 10, либо если коммутируются одновременно все нагрузки, что бывает в случае аварий не более 3÷5 раз за ресурс то, чтобы не переразмеривать силовой транзисторный ключ по мощности, предлагается вводить блокировку на включение силового транзисторного ключа 10 и тиристоров 11÷13.
Если необходимо выключить потребителей энергии 15 и 16, то по сигналам с устройств управления обмотками контакторов 7 и 8 через объединенную систему управления 14 включается силовой транзисторный ключ 10 и распределительный тиристор 13 и только через ~ 5÷7 мс включается распределительный тиристор 12, после чего через ориентировочно ~ 5÷7 мс силовой транзисторный ключ 10 закрывается и схема переходит в исходное состояние.
Таким образом, заявляемый высоковольтный коммутатор постоянного тока позволяет значительно упростить многоканальное коммутирующее устройство на n-коммутируемых цепях при одновременном повышении его эксплуатационной надежности.