ГИБРИДНОЕ КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ПОСТОЯННОГО ТОКА

Предлагаемая полезная модель - гибридное коммутационное устройство постоянного тока относится к электротехнике, а именно к коммутационным электрическим аппаратам постоянного тока, и может быть использовано для коммутации электрических цепей постоянного тока в нагрузочных режимах, режимах перегрузки и аварийных режимах короткого замыкания нагрузки.
Известно, что при отключении индуктивной нагрузки постоянного тока между главными контактами электромеханического электрического аппарата возникает электрическая дуга, которая оплавляет эти контакты, что существенно снижает коммутационную износостойкость электромеханического электрического аппарата по сравнению с его механической износостойкостью (Л.1 Чунихин А.А. Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988.).
Для повышения срока службы электрических аппаратов известно применение полупроводниковых бесконтактных электрических аппаратов, в которых отсутствует электрическая дуга и коммутационный износ (Л.2 Могилевский Г.В. и др. Полупроводниковые аппараты защиты. - М.: Энергия, 1980). Однако полупроводниковые аппараты имеют повышенное падение напряжения при пропускании прямого тока во включенном состоянии, что увеличивает их нагрев и снижает к.п.д., а также не обеспечивают гальванической развязки нагрузки от питающей сети в выключенном состоянии.
Стремление совместить в электрических аппаратах положительные качества контактных аппаратов - малые потери мощности во включенном состоянии и гальваническую развязку нагрузки от источника питания в
выключенном состоянии - и положительные качества полупроводниковых электрических аппаратов - повышенная коммутационная износостойкость и, следовательно, меньшие эксплуатационные затраты - привело к разработке и созданию гибридных электрических аппаратов, в которых ток во включенном состоянии аппарата проходит через контакты электрического электромеханического аппарата, а коммутация этого тока выполняется силовыми полупроводниковыми приборами, включенными параллельно контактам электромеханического аппарата (Л.3 Могилевский Г.В Гибридные электрические аппараты низкого напряжения. - М: Энергоатомиздат, 1986).
Известно, что наибольшая длительность горения электрической дуги, а, следовательно, и наибольшее разрушение контактов имеет место при отключении постоянных индуктивных токов. Поэтому известен целый ряд гибридных коммутационных аппаратов постоянного тока, которые являются аналогами по отношению к предлагаемому гибридному коммутационному устройству постоянного тока. (Приложение 1, Л.3, стр.64, рис.1.21). Однако все они имеют недостатки, так как эти устройства выполнены на однооперационных тиристорах, которые при реализации требуют обязательного применения предварительно заряженных коммутирующих конденсаторов С, что усложняет известные аналоги, увеличивает их габариты и снижает их надежность. Поэтому в качестве прототипа выбрано гибридное коммутационное устройство постоянного тока с параллельным соединением электромеханического аппарата и транзистора (Приложение 2, Л.4 Электрические и электронные аппараты: учебник для вузов / Под ред. Ю.К.Розанова. - М.: Энергоатомиздат, 1998, стр.573, рис.11.14.).
Однако в прототипе не достигается заявленный технический результа-увеличение надежности гибридного коммутационного устройства постоянного тока, так как в прототипе имеются следующие недостатки.
н
Во-первых, в прототипе нет электротехнического коммутатора для гальванической развязки нагрузки Z от источника постоянного напряжения
Е при выключенном транзисторе гибридного коммутационного устройства постоянного тока. Во-вторых, в прототипе нет реле контроля исправности транзистора, что также снижает надежность гибридного коммутационного устройства постоянного тока. В-третьих, в прототипе нет блока инфоормации о неисправности транзистора гибридного коммутационного устройства постоянного тока.
Предлагаемая полезная модель - гибридное коммутационное устройство постоянного тока - решает задачу разработки и создания гибридного коммутационного аппарата постоянного тока, осуществление которой позволяет достичь заявленного технического результата, заключающегося в увеличении надежности этого устройства.
Сущность предлагаемой полезной модели - гибридного коммутационного устройства постоянного тока заключается в том, что в гибридном коммутационном устройстве, имеющем первый электромеханический коммутатор с системой управления, включающую кнопку, отключающую кнопку, устройство защитного отключения и реле тока, а также транзистор с системой управления, при этом первый электромеханический коммутатор соединен с реле тока и нагрузкой, транзистор одним силовым выводом соединен с одним силовым выводом первого электромеханического коммутатора, включающая кнопка, устройство защитного отключения и отключающая кнопка, соединены со схемой управления первым электромеханическим коммутатором, дополнительно введены второй электромеханический коммутатор с системой управления, реле контроля транзистора и блок информации, причем второй электромеханический коммутатор соединен последовательно с транзистором, при этом полученная последовательная цепь подсоединена параллельно первому электромеханическому коммутатору, включающая кнопка, устройство защитного отключения и отключающая кнопка соединены с системами управления транзистора и второго электромеханического
коммутатора, а реле контроля транзистора соединено с блоком информации и системой управления вторым электромеханическим коммутатором, которая соединена с реле тока.
Заявленный технический результат достигается следующим образом. Введенные второй электромеханический коммутатор с системой управления, реле контроля транзистора и блок информации, а также соединение устройства защитного управления и отключающей кнопки с системой управления транзистором и системой управления вторым электромеханическим коммутатором, которая соединена с реле тока и реле контроля транзистора, которое соединено с блоком информации, обеспечивает оптимальный режим работы первого и второго электромеханических коммутаторов, а именно вначале при отключении цепи нагрузки включается второй электромеханический коммутатор в бестоковом режиме, что исключает его электрический износ, далее включается транзистор и отключается первый электромеханический коммутатор, при этом его ток переходит в цепь второго электромеханического коммутатора и транзистора при малом напряжении на контактах первого электромеханического коммутатора, что существенно снижает интенсивность дугообразования на этих контактах и, следовательно, снижает их электрический износ, затем выключается транзистор, если он исправен и, наконец, выключается второй электромеханический коммутатор при прекращении тока через реле тока снова в бестоковом режиме, что исключает его электрический износ. Следовательно, при исправном транзисторе оба электромеханических коммутатора практически не имеют электрического износа, что увеличивает надежность гибридного коммутационного устройства для отключения цепи постоянного тока.
При неисправном транзисторе реле контроля транзистора выдает дублирующий сигнал для отключения второго электромеханического коммутатора, который при этом выключается не в оптимальном режиме.
Однако, во-первых, по статистике указанный режим происходит редко, во-вторых, в этом случае реле контроля транзистора формирует сигнал для отключения второго электромеханического коммутатора и сигнал для блока информации, то есть для оператора, о неисправности транзистора и предотвращении очередного включения неисправного гибридного коммутационного устройства для отключения цепей постоянного тока.
Предлагаемое гибридное коммутационное устройство постоянного тока изображено на фиг.1. Устройство содержит первый электромеханический коммутатор 1, имеющий первый 2 и второй 3 главные контакты, систему управления 4 первым электромеханическим коммутатором 1, имеющую четыре входные вывода 5, 6, 7, 8 и механически связанную с первым электромеханическим коммутатором 1, причем под каждым выводом в элементах и цепях управления подразумевается два провода, транзистор 9, имеющий два силовых вывода 10, 11, один входной вывод 12 и один выходной вывод 13, систему управления 14 транзистором 9, имеющую два входных вывода 15, 16 и один выходной вывод 17, соединенное последовательно с нагрузкой 18, реле тока 19, имеющее два силовых вывода 20, 21 и два выходных вывода 22, 23, включающую кнопку 24, имеющую один выходной вывод 25, устройство защитного отключения 26, имеющее три выходных вывода 27, 28, 29, отключающую кнопку 30, имеющую три выходных вывода 31, 32, 33, реле контроля 34 транзистора 9, имеющее один входной вывод 35 и два выходных вывода 36, 37, блок информации 38, имеющий один входной вывод 39, второй электромеханический коммутатор 40, имеющий первый 41 и второй 42 главные контакты, систему управления 43 вторым электромеханическим коммутатором 40, имеющую четыре входных вывода 44, 45, 46, 47 и механически связанную с вторым электромеханическим коммутатором 40. Первый главный контакт 2 первого электромеханического коммутатора 1 соединен с первым положительным полюсом источника питания Е
постоянного напряжения и механически связан с системой управления 4 первого электромеханического коммутатора 1, второй главный контакт 3 которого соединен с первым силовым выводом 20 реле тока 19, второй силовой вывод 21 которого соединен с нагрузкой 18, соединенной с вторым отрицательным полюсом источника питания Е постоянного напряжения, второй силовой вывод 11 транзистора 9, включенного в прямом направлении по отношению к полярности питающего постоянного напряжения, соединен с вторым главным контактом 3 первого электромеханического коммутатора 1, первый главный контакт 41 второго электромеханического коммутатора 40 соединен с первым главным контактом 2 первого электромеханического коммутатора 1, второй главный контакт 42 второго электромеханического коммутатора 40 соединен с первым силовым выводом 10 транзистора 9, первый выходной вывод 22 реле тока 19 соединен с первым входным выводом 8 системы управления первым электромеханическим коммутатором 1, выходной вывод 25 включающей кнопки 24, первый выходной вывод 27 устройства защитного отключения 26, первый выходной вывод 31 отключающей кнопки 30 соединены соответственно с вторым входным выводом 5, с третьим входным выводом бис четвертым входным выводом 7 системы управления 4 первым электромеханическим коммутатором 1, второй выходной вывод 28 устройства защитного отключения 26, второй выходной вывод 32 отключающей кнопки 30 соединены соответственно с первым входным выводом 15, с вторым входным выводом 16 системы управления 14 транзистора 9, третий выходной вывод 29 устройства защитного отключения 26, третий выходной вывод 33 отключающей кнопки 30, второй выходной вывод 23 реле тока 19, первый выходной вывод 36 реле контроля 34 транзистора 9 соединены соответственно с первым входным выводом 44, с вторым входным выводом 45, с третьим входным выводом 46, с четвертым входным выводом 47 системы управления 43 вторым электромеханическим коммутатором 40, выходной вывод 17 системы управления 14 транзистором
9, входной вывод 35 реле контроля 34 транзистора 9, соединены соответственно с входным выводом 12, с выходным выводом 13 транзистора 9, выходной вывод 37 реле контроля 34 транзистора 9 соединен с входным выводом 39 блока информации 38.
0
нагр
Предлагаемое гибридное коммутационное устройство постоянного тока работает следующим образом. Поскольку предлагается устройство отключения постоянного тока, процесс подключения нагрузки к сети постоянного напряжения рассматривать не будем, полагая, что в некоторый момент времени t в соответствии с фиг.2 нагрузка 18 с помощью включающей кнопки 24 по каналу 25,5 включена и через нее и первый электромеханический коммутатор 1 протекает постоянный ток I по контуру: «+» - 1-19-18 - «-».
Процесс отключения постоянного тока может иметь два варианта. Первый вариант имеет место при отключении токов перегрузки или токов короткого замыкания. Второй вариант имеет место при отключении малых токов и всех токов, не превосходящих номинального значения тока нагрузки.
Процесс отключения постоянного тока по первому варианту происходит следующим образом. При появлении в цепи нагрузки 18 тока перегрузки или при возникновении короткого замыкания нагрузки 18 информация об этом от реле тока 19 по каналу 22, 8 поступает в систему управления 4 первого электромеханического коммутатора 1, который в соответствии со своим назначением обеспечивает отключение постоянного тока в рассматриваемом режиме, при этом конечно возникает усиленное дугообразование и усиленный электрический износ главных контактов 2, 3 первого электромеханического коммутатора. Однако по статистике рассматриваемый режим возникает крайне редко и на общий срок службы электромеханического коммутатора влияет незначительно.
Гораздо чаще возникает второй вариант отключения постоянного тока, а именно отключение малых постоянных токов, не превосходящих
1
1
нагр.
2
номинального значения тока нагрузки 18. Рассмотрим более подробно этот процесс отключения постоянного тока, когда сигнал об отключении появляется от устройства защитного отключения 26 или от отключающей кнопки 30. В этом случае в момент времени t от устройства защитного отключения 26 или от отключающей кнопки 30 появляется сигнал об отключении нагрузки 18, информация об этом подается от устройства защитного отключения 26 по каналу 27, 6 к системе управления 4 первым электромеханическим коммутатором 1 и по каналу 29, 44 к системе управления 43 вторым электромеханическим коммутатором 40 или от отключающей кнопки 30 по каналу 31, 7 к системе управления 4 первым электромеханическим коммутатором 1 и по каналу 33, 45 к системе управления 43 вторым электромеханическим коммутатором 40, от устройства защитного отключения 26 по каналу 28, 15 или от отключающей кнопки 30 по каналу 32, 16 к системе управления 14 транзистором 9, от системы управления 14 транзистором 9 по каналу 17, 12 к транзистору 9, при этом логическая часть систем управления 4, 14 и 43 обеспечивает следующую последовательность операций. В момент времени t включается второй электромеханический коммутатор 40, при этом через нагрузку 18 и через первый электромеханический коммутатор 1 протекает тот же самый ток I В момент времени tвключается транзистор 9 и отключается первый электромеханический коммутатор 1, при этом ток нагрузки 18 протекает по контурам
,
3
нагр.
4
3
причем в момент времени t ток первого электромеханического коммутатора 1 становится равным нулевому значению, а ток второго электромеханического коммутатора 43 и транзистора 9 становится равным току нагрузки I В момент времени t с некоторой задержкой по отношению к моменту времени t выключается транзистор 9, при этом ток
5
4
транзистора 9 и второго электромеханического коммутатора 40 становится равным нулевому значению, эта информация от реле тока 19 по каналу 23, 46 подается на систему управления 43 вторым электромеханическим коммутатором 40. Напряжение на транзисторе 9 и на первом электромеханическом коммутаторе 1 становится равным питающему постоянному напряжению Е. В момент времени t с некоторой задержкой по отношению к моменту времени t выключается второй электромеханический коммутатор 40, при этом напряжение на транзисторе 9 становится равным нулевому значению, а напряжение на втором электромеханическом коммутаторе 40 становится равным питающему постоянному напряжению Е.
4
5
Таким образом, при исправном транзисторе 9 выключение первого электромеханического коммутатора 1 происходит в бестоковом режиме в момент времени t, а выключение второго электромеханического коммутатора 40 происходит также в бестоковом режиме в момент времени t, в результате чего существенно возрастает электрическая износостойкость первого 1 и второго 40 электромеханических коммутаторов и возрастает надежность предлагаемого гибридного коммутационного устройства постоянного тока, то есть достигается заявленный технический результат.
Если транзистор 9 выходит из строя, то эта информация по каналу 13, 35 поступает к реле контроля 34 транзистора 9, которое по каналу 36, 47 для системы управления 43 вторым электромеханическим коммутатором 40 формирует дублирующий сигнал на выключение второго электромеханического коммутатора 40, так как основной сигнал от реле тока 19 по каналу 23, 46 для системы управления 43 вторым электромеханическим коммутатором 40 при вышедшем из строя транзисторе 9 не формируется. В этом режиме второй электромеханический коммутатор 40 выключается с током, что вызывает его электрический износ. Однако, во-первых, по статистике вероятность разрушения транзистора 9 достаточно мала, во-вторых, при этом реле контроля 34 транзистора 9 формирует сигнал по
каналу 37, 39 для блока информации 38, который предупреждает оператора о неисправности транзистора и недопущении включения коммутирующего устройства, либо автоматически за счет дополнительной связи с включающей кнопкой 24 запрещает это включение. В результате электрическая износостойкость первого и второго электромеханических коммутаторов практически не снижается.
Следует заметить, что при изменении полярности питающего постоянного напряжения полярность включения транзистора необходимо поменять на противоположную. Если нагрузка может работать в режиме рекуперации избыточной энергии в питающую сеть постоянного тока, как это имеет место при питании электротранспорта, то транзистор 9 необходимо включать по известной схеме к диагонали постоянного тока четырехдиодного моста, который диагональю переменного тока соединяется последовательно с вторым электромеханическим коммутатором 40 (см. например. Приложение 3, Л.4, стр.643, рис.12.11). Транзистор может быть заменен двухоперационным тиристором.
При последовательном соединении транзисторов реле контроля неисправностей транзисторов должно подключаться к каждому транзистору отдельно.
Необходимо также добавить, что для защиты полупроводниковых приборов - транзисторов и диодов можно использовать известные различные защитные шунтирующие цепи: резистивные, конденсаторные, диодные, варисторные.
Для реализации предложенного изобретения необходимо в известное устройство ввести второй электромеханический коммутатор и систему управления этим коммутатором, а также реле контроля исправности транзистора и блок информации. Все это будет реализовано в OOO «Технос».