КЛЮЧ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DC KEY

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, в частности к защитно-коммутационной аппаратуре и может быть использовано в системах распределения постоянного тока повышенного напряжения, в частности в транспортных системах электроснабжения.
Широко известны схемы ключей постоянного тока (например, в модуле FDC-2S-2, https://micro-pi.ru/bms-%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%BB%D0%B5%D1%80-fdc-2s-2-%D0%B7%D0%B0%D1%89%D0%B8%D1%82%D1%8B-2%D1%85-li-ion/), где с помощью подключенных встречно последовательно и управляемых контроллером пары электронных ключей (полевых транзисторов Ml и М2) подключают и отключают нагрузку или зарядное устройство от батареи. В схеме ключа ограничивают ток с помощью резисторов (R1 и R2). Подобные устройства просты в изготовлении, имеют небольшую стоимость, однако недостатком их является большая энергоемкость и тепловые потери на электронных ключах и выход их из строя от перегрева при недостаточном охлаждении.
Известен выключатель постоянного тока (RU №112797, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ), H01H 75/02, опубл. 20.01.2012), содержащий, положительный и отрицательный входы, положительный и отрицательный выходы (по тексту - первый вывод питания 3 и второй вывод питания 9, первый 7 и второй 8 выходные выводы); устройство управления (командное устройство 5) с возможностью независимого управления двумя реле (двумя электромеханическими контакторами 1 и 2), каждое из которых соединено с одним из двух разнесенных электронных ключей (первым 13 и вторым 14), один из которых размыкает цепь при коротком замыкании, второй - разряжает накопительный конденсатор после перенапряжения; диод для защиты от самоиндукции цепи постоянного тока. Недостатки данного выключателя: большие габариты устройства из-за наличия двух реле для защиты источника питания от коротких замыканий и перенапряжений; собственное потребление мощности выключателя, так как в режиме «включено» он потребляет значительную мощность из-за наличия тока на обмотке первого реле (1).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является двунаправленный выключатель постоянного напряжения тока (RU №2703190, фиг. 2, СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE), опубл. 15.10.2019), содержащий первые положительный и отрицательный контакты (положительный и отрицательный входы - к источнику постоянного тока) и вторые положительный и отрицательный контакты (положительный и отрицательный выходы - к сети потребителя), механический ключ (МК) (механический выключатель 13), устройство управления (17) для управления парой (двумя) встречно последовательно (по тексту «антипоследовательно») соединенных электронных ключей (ЭК) (15 и 25), которые соединены своими силовыми выходами (фиг. 2 патента №2703190). Выключатель содержит также защитный (гасящий) диод и управляемые электронные ключи (152 и 252). Схема выключателя позволяет «безопасно» для всех контактов выключать МК за счет снижения тока через контакты ниже допустимого значения следующим образом: перед включением МК - включают (замыкают) 15 и 25, замыкая источник питания на сеть постоянного тока (1112); перед выключением МК включают ЭК (152), замыкая ток нагрузки «на землю» посредством трансформатора (14), для выключения МК в обратном направлении используют замыкание ЭК (252) и замыкание тока нагрузки «на землю» посредством трансформатора (24).
Недостатки выключателя: наличие трех разных независимых цепей управления для включения и выключения МК в двух направлениях с разнесенными ЭК ((15, 25), (152) и (252)), что усложняет схему устройства в целом и алгоритм работы УУ, наличие в цепях включения трансформаторов, значительно увеличивающих габариты и массу изделия. Кроме того, ЭК управляются через их силовые и слаботочные входы, однако при соединении пары ЭК силовыми выходами попарное соединение их силовых и слаботочных входов для общего управления ими невозможно. Поэтому требуется индивидуальное (раздельное) управление каждым из четырех входов, что также усложняет схему.
Задачей предлагаемого технического решения ключа постоянного тока является уменьшение габаритов и массы устройства, снижение потребляемой мощности ключа, повышение технологичности изготовления, снижение затрат при изготовлении и эксплуатации, а также исключение перегрева пары ЭК и выход их из строя, снижение до минимума потребляемой устройством энергии.
Поставленная задача решается следующим образом.
Для включения и выключения ключа постоянного тока (КПТ) используют замыкание и размыкание механического ключа (МК) в промежуток времени, когда включены встречно последовательно соединенные силовыми входами два электронных ключа (такое соединение позволяет соединить их силовые входы и слаботочные входы для одновременного управления этими парами входов), а в качестве МК используют электромагнитное поляризованное реле, которое не потребляет энергию (ток) в обоих устойчивых состояниях (включено и выключено) и потребляет энергию только в короткие моменты переключения одного состояния на другое за счет наличия двух обмоток. Таким образом, пара ЭК служит единственной параллельной цепью, которая берет на себя нагрузку по току в известные и установленные в устройстве управления промежутки времени, необходимые для изменения состояний (замкнуто, разомкнуто) силовых контактов реле и электронных ключей.
КПТ содержит устройство управления (УУ), параллельно установленные пару (два) встречно последовательно соединенных электронных ключей (ЭК) и механический ключ (МК), первый и второй силовые контакты которого подключены соответственно к положительным первому контакту и второму контакту КТП. Первый положительный и первый отрицательный контакты, второй положительный и второй отрицательный контакты КПТ служат для включения КПТ в сеть постоянного тока (подключения к источнику постоянного тока (ИП) и сети потребителя). КПТ выполнен с возможностью подачи необходимого напряжения питания на все его элементы, требующие питания.
При этом в качестве МК в КПТ установлено электромагнитное поляризованное реле, первый и второй слаботочные контакты которого являются контактами первой обмотки этого реле, третий и четвертый слаботочные контакты - контактами второй обмотки и подключены соответственно к первому и второму, третьему и четвертому выходам УУ. Кроме того, к первому положительному контакту КПТ подключен силовой выход первого ЭК из упомянутой пары ЭК, силовой вход которого соединен с силовым входом второго ЭК этой пары, силовой выход которого подключен к второму положительному контакту КПТ (силовые входы пары ЭК соединены между собой, а силовые выходы первого и второго ЭК упомянутой пары подключены соответственно к положительным первому и второму контактам КПТ), слаботочные входы (управляемые входы) первого и второго ЭК соединены вместе и подключены к пятому выходу УУ, а соединение силовых входов первого и второго ЭК подключено к шестому выходу УУ, вход которого подключен к управляющему контакту (входу) КПТ для получения команд управления (в том числе - включения и выключения) КПТ.
Предлагаемое устройство КПТ может пропускать ток в прямом и обратном направлении, что важно, когда в качестве ИП установлена аккумуляторная батарея (АБ), требующая подзарядки; имеет простую и высокотехнологичную схему, имеющую малое количество цепей и соединений (в том числе за счет наличия лишь двух ЭК и возможности соединения их одноименных входов для общего управления), и малые размеры при простоте и удобстве использования за счет симметричности; позволяет только за счет замены ЭК (без замены поляризованного реле) менять рабочее напряжение КПТ, так как рабочее напряжение КПТ определяется напряжением пробоя выбранных ЭК и не зависит от установленного поляризованного реле, а максимальный рабочий ток определяется импульсным током ЭК и поляризованным реле. Предлагаемая функциональная схема устройства обеспечивает ее надежное функционирование, без коротких замыканий и выхода из строя пары ЭК. Предлагаемое решение КПТ позволяет применять КПТ в различных силовых схемах. В том числе в устройствах и системах с контролем режимов заряда/разряда АБ различных типов, позволяющих защищать их от критичных режимов (перезаряд, переразряд, повышенные температуры, коротких замыканий и т.п.).
Предпочтительно, чтобы КПТ содержал защитный (гасящий) диод, подключенный в непроводящем направлении к положительному и отрицательному выходам КПТ для защиты от самоиндукции цепи постоянного тока (катод подключен ко второму положительному контакту, анод - ко второму отрицательному контакту КПТ). В основном варианте выполнения предлагаемого технического решения такой диод может быть встроен в устройстве на стороне потребителя.
Предпочтительно, чтобы между первым и вторым положительными контактами КПТ параллельно упомянутой паре встречно последовательно соединенных ЭК была установлена хотя бы одна дополнительная пара встречно последовательно соединенных силовыми входами ЭК, силовые выходы первого и второго ЭК этой дополнительной пары подключены соответственно к положительным первому и второму контактам КПТ, слаботочные входы этой пары ЭК соединены вместе и подключены к соединению слаботочных входов упомянутой пары ЭК (для общего управления с пятого выхода УУ), а соединенные силовые входы этой пары ЭК подключены к соединению силовых входов упомянутой пары ЭК (для общего управления с шестого выхода УУ). Установка дополнительных пар ЭК позволяет избежать перегрузки ЭК и получить КПТ любой требуемой мощности и на различное рабочее напряжение КПТ.
Предпочтительно, чтобы в устройстве управления был предусмотрен дополнительный выход, подключенный к управляющему контакту КПТ для передачи информационных сигналов для контроля работы КПТ.
В предлагаемом техническом решении КПТ используют стандартные изделия, выпускаемые российскими и/или зарубежными фирмами. Например, в качестве электронных ключей могут быть использованы полевые транзисторы (MOSFET), биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), либо схемы, собранные на запираемых тиристорах и т.д.; в качестве УУ - микроконтроллер общего назначения, ПЛИС, DSP с соответствующей обвязкой, различные схемы на логических элементах; конструкции поляризованного реле также могут быть различными.
В дальнейшем реализация ключа постоянного тока будет рассмотрена в одном из предпочтительных вариантов исполнения.
На фиг. 1 представлена структурная схема ключа постоянного тока в варианте исполнения с транзисторами в качестве электронных ключей и защитным диодом.
На фиг. 2 - структурная схема ключа постоянного тока с двумя парами электронных ключей.
Изображенный на фиг. 1 ключ постоянного тока (КПТ) с первыми положительным («+1») и отрицательным («-1») контактами для подключения КПТ к источнику постоянного тока (ИП), вторыми положительным («+2») и отрицательным («-2») контактами для подключения к сети потребителя содержит пару электронных ключей (ЭК) - первый ЭК 1 и второй ЭК 2 - встречно последовательно соединенных между собой их силовыми входами (эмиттерами). В данном варианте осуществления КПТ в качестве ЭК установлены транзисторы. При этом силовой выход (коллектор) ЭК 1 соединен с КТП, силовой выход (коллектор) ЭК 2 соединен с «+2» КТП. Механический ключ 3 (МК) - электромагнитное поляризованное реле - установлен параллельно паре ЭК. Первый (1 сил) и второй (2 сил) силовые контакты МК 3 подключены соответственно к и «+2» КТП, первый (1 сл) и второй (2 сл) слаботочные контакты (контакты первой обмотки реле) подключены соответственно к первому и второму выходам устройства управления 4 (УУ), а третий (3 сл) и четвертый (4 сл) слаботочные контакты (контакты второй обмотки реле) - к подключены соответственно к третьему и четвертому выходам УУ 4. Кроме того, слаботочные входы (затворы) ЭК 1 и ЭК 2 соединены и подключены к пятому выходу УУ 4, к шестому выходу УУ 4 - подключены соединенные силовые входы ЭК 1 и ЭК 2, а вход УУ 4 подключен к управляющему контакту КПТ для получения команд управления (сигналы включения или выключения). КПТ в данном варианте исполнения содержит защитный диод 5, подключенный в непроводящем направлении между «+2» и «-2» КПТ для защиты от самоиндукции цепи постоянного тока.
В данной реализации КПТ УУ 4 выполнен на микроконтроллере и управляется командами - «логическая 1» или «логический О». В него занесены значения временных интервалов t1 и t2, не меньшие промежутков времени, необходимых соответственно для срабатывания (смыкания или размыкания) обоих ЭК (первого и второго) и силовых контактов реле 3 (определяется его видом и конструкцией).
Ключ постоянного тока, изображенный на фиг. 1, работает следующим образом. При наличии диода 5 КПТ подключают к ИП (например, аккумуляторной батарее) первыми контактами - и а к сети потребителя - контактами «+2» и «-2». В данном варианте исполнения только на УУ 4 подают необходимое для его работы напряжение питания (на фиг. 1 не показано). В исходном состоянии ЭК 1 и ЭК 2 выключены, МК 2 выключен (контакты 1 сил и 2 сил разомкнуты). КПТ находится в режиме ожидания внешней команды управления и потребляет минимальную мощность (для функционирования УУ 4).
Включение КПТ: при подаче на вход УУ 4 (управляющий вход КПТ) команды включения (замыкания 1 сил и 2 сил МК 3), УУ 4 обрабатывает ее и далее одновременно подает напряжение, необходимое для включения пары ЭК, через выходы 5 и 6 соответственно на слаботочные и силовые входы обоих ЭК, включая (замыкая) ЭК1 и ЭК2. Через установленное в УУ 4 время t1, после срабатывания (замыкания) пары ЭК, УУ 4 с выводов 1 и 2 подает напряжение на слаботочные контакты 1 сл и 2 сл МК 3 (первую обмотку реле) для замыкания его силовых контактов 1 сил и 2 сил. Далее через время t2 -после замыкания 1 сил и 2 сил МК 3, УУ 4 снимает напряжение на выходах 5 и 6, чем выключает (размыкает) ЭК 1 и ЭК 2. Цепь «+1»-МК3-«+2» безопасно замкнута, т.к. во время замыкания 1 сил и 2 сил ток протекает через параллельную цепь пары замкнутых ЭК. КПТ включен, постоянный ток поступает от ИП на «+2» и «-2» в сеть потребителя. Таким образом, при включении не возникает электрической дуги при дребезге и залипания силовых контактов МК 3, не выводя из строя ИП и сам МК 3. При этом реле 4 потребляет энергию только в промежуток времени t2, а пара ЭК за это время не перегревается.
Выключение КПТ: после обработки команды выключения (размыкания сил и 2 сил МК 3), поступившей с управляющего контакта, УУ 4 через выходы 5 и 6 подает напряжение включения ЭК на слаботочный и силовой входы обоих ЭК, замыкая ЭК 1 и 2. Через интервал времени t1 УУ 4 посредством выводов 3 и 4 подает напряжение на слаботочные контакты 3 сл и 4 сл МК 3 (вторую обмотку реле) для размыкания силовых контактов 1 сил и 2 сил этого реле. Далее через интервал времени t2 УУ 4 снимает напряжение на выходах 5 и 6, чем размыкает оба ЭК 1 и 2. КПТ выключен при безопасном размыкании силовых контактов реле 3 без возникновения электрической дуги и разрушения силовых контактов МК 3 при включенной параллельной цепи из пары ЭК. При этом реле 3 потребляет энергию только в промежуток времени tl.
Изображенный на фиг. 2 ключ постоянного тока (КПТ) содержит пару ЭК - ЭК 1 и ЭК 2, МК 3 - электромагнитное поляризованное реле, УУ 4, соединенные, как описано выше, а также дополнительную пару встречно последовательно соединенных их силовыми входами ЭК (ЭК 1* и ЭК 2*), установленную параллельно паре ЭК 1 и ЭК 2, силовые выходы ЭК 1* и ЭК 2* подключены соответственно к и «+2» контактам КПТ, слаботочные входы ЭК 1* и ЭК 2* соединены и подключены к соединению слаботочных входов ЭК 1 и ЭК 2, а соединенные силовые входы ЭК 1* и ЭК 2* подключены к соединению силовых входов упомянутой пары ЭК.
КПТ работает аналогично описанному выше КПТ (фиг. 1). При команде от УУ 4 замыкают ключи обеих пар за известное и установленное в УУ время t1 - на время t2. При этом ток распределяется по парам ЭК, снижая токовую нагрузку на каждой паре, при этом появляется возможность подбора ЭК для любой требуемой мощности и на любое рабочее напряжение КПТ.
Несмотря на то, что предлагаемое в качестве изобретения техническое решение ключа постоянного тока описано со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, специалистам в данной области техники следует понимать, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отступления от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.
Например, в других реализациях КПТ электронные ключи, механический ключ, устройство управления для повышения характеристик КПТ в целом могут иметь различные схемы (с дополнительными элементами) и конструкции.
Для изменения рабочего напряжения КПТ параллельно паре ЭК может быть установлено несколько дополнительных пар встречно последовательно соединенных ЭК. При этом практически неограниченно расширяется область применения КПТ для управляемых сетей потребления постоянного тока. В том числе в различных видах электротранспорта - наземного, водного, воздушного, в альтернативной энергетике - ветряные, солнечные электростанции, микроГЭС, в системах хранения, резервирования и бесперебойной подачи энергии, в силовых электроустановках постоянного тока.
Представленное техническое решение КПТ характеризуется высокой технологичностью при изготовлении, надежностью при эксплуатации, дает существенную экономию энергии за счет потребления мощности лишь при смене состояния КПТ.