СПОСОБ БЕЗДУГОВОЙ КОММУТАЦИИ
METHOD OF ARCLESS SWITCHING

Изобретение относится к коммутационной технике в сильноточных цепях.
Из уровня техники известны различные способы коммутации, например при выводе энергии из индуктивного накопителя в нагрузку, характеризующиеся тем, что в процессе коммутации создаются условия, исключающие возможность возникновения дугового разряда.
о
к
о
н
к
н
Так известен способ бездуговой коммутации, согласно которому коммутацию тока на участке цепи, содержащей параллельно соединенные резистор и нагрузку, осуществляют путем изменения за время коммутации сопротивления резистора от R до R при выполнении соотношения R<<R<<R, где R - сопротивление нагрузки (см. Физика и техника мощных импульсных систем, под ред. Е.П.Велихова, М., изд. ”Энергоатомиздат”, 1987 [1], с.112-118).
Недостаток этого способа заключается в том, что он не обеспечивает высокоэффективной передачи энергии из индуктивного накопителя в нагрузку, поскольку достигнутая на практике кратность изменения сопротивления резистора по меньшей мере в 100 раз меньше теоретически требуемой.
Известен также способ бездуговой коммутации, согласно которому коммутацию тока на участке цепи, содержащем параллельно соединенные переменную индуктивность и нагрузку, осуществляют путем увеличения за время коммутации величины индуктивности, при этом скорость изменения индуктивности в процессе коммутации должна быть много больше сопротивления нагрузки (см. [1], с.113-114).
2
3
Недостаток этого способа заключается в том, что обеспечение изменения индуктивности в 10÷10 раз за время порядка одной миллисекунду в сильноточных цепях представляет собой сложную техническую задачу.
В качестве прототипа взят способ бездуговой коммутации, при котором перед коммутацией тока на участке цепи, содержащем параллельно соединенные размыкатель и нагрузку, от дополнительного источника тока через размыкатель пропускают импульс тока, величина которого равна, а направление противоположно соответственно величине и направлению коммутируемого тока, а синхронно c паузой тока (иными словами, в интервалам времени, в течение которого ток на коммутируемом участке цепи равен нулю) осуществляют разведение электродов размыкателя на заданное расстояние друг от друга, при этом в качестве дополнительного источника тока используют предварительно заряженную искусственную длинную линию из последовательно соединенных одинаковых Г-образных LC - звеньев (см. [1] с.108-109).
3
5
5
-4
3
0
с
p
0
p
0
н
н
н
0
н
0
н
0
c
Этот способ получил широкое распространение несмотря на присущий ему недостаток, обусловленный низкой плотностью энергии конденсаторов по сравнению в другими типами накопителей. Так для большинства типов отечественных и зарубежных импульсных конденсаторов объемная энергия составляет около 0,1 МДж/м при рабочей напряженности электрического поля 70-100 кВ/мм (см, [1] с.184). Следствием этого являются большие весогабаритные параметры искусственной длинной линии, а также ее высокая стоимость. Действительно, запас энергии конденсаторов упомянутой выше искусственной длинной линии, необходимый для формирования паузы тока длительностью t, определяется выражением W=P·t/4, где P - разрывная мощность размыкателя, равная произведению коммутируемого тока I на максимальное напряжение U на нагрузке сопротивлением R, при этом U=I·R. Таким образом при I=10 А, U=10 B и t=10 сек, W=0,25 МДж, объем конденсаторов искусственной длинной линии будет равен 2,5 м, а их стоимость составит 200-250 тысяч долларов США.
-3
Кроме того, поскольку взятый в качестве прототипа способ бездуговой коммутации относится к многоразовым, то вопрос надежности искусственной длинной линии является актуальным. Для обеспечения же высоконадежной работы конденсаторов при времени их перезарядки, не превышающем 10 сек, рабочее напряжение этих конденсаторов должно, по меньшей мере, в два раза превышать максимальное напряжение на нагрузке. Выполнение этого условия безусловно приводит к дополнительному увеличению весогабаритных параметров искусственной длинной линии.
0
0
н
-1
-8
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по снижению запаса энергии средства (конденсаторов искусственной длинной линии), используемого при осуществлении операции по созданию паузы тока на коммутируемом участке цепи в способе бездуговой коммутации. Достигаемый при этом технический результат заключается в существенном уменьшении рабочего напряжения конденсаторов, соответствующих звеньям искусственной длинной линии, начиная с третьего или четвертого, до 2U=2ρI, где ρ=(10÷10)·R - волновое сопротивление искусственной длинной линии, а следовательно, в уменьшении весогабаритных и стоимостных параметров искусственней длинной линии.
0
0
0
н
н
-1
-3
Поставленная задача решена тем, что в способе бездуговой коммутации, согласно которому перед коммутацией тока на участке цепи, содержащем параллельно соединенные размыкатель и нагрузку, через размыкатель пропускают импульс тока, величина которого равна, а направление противоположно соответственно величине I и направлению коммутируемого тока, синхронно с паузой тока на коммутируемом участке цепи осуществляют разведение электродов размыкателя на заданное расстояние относительно друг друга, при этом через размыкатель пропускают импульс тока путем подключения параллельно ему предварительно заряженной искусственной длинной линии из последовательно соединенных N одинаковых LC-звеньев и волновым сопротивлением - ρ, согласно патентуемому изобретению используют искусственную длинную линию, заряженную до напряжения U=I·ρ где ρ=(10÷10)·R, a R - сопротивление нагрузки, а перед или в момент окончания паузы тока осуществляют разрыв цепи между второй и третьей или третьей и четвертей звеньями искусственной длинной линии при достижении током в индуктивности соответственно третьего или четвертого звена нулевого значения.
н
0
н
н
0
н
0
Преимущество патентуемого способа бездуговой коммутации перед прототипом заключается в том, что поскольку перед или в момент окончания паузы тока большая часть звеньев искусственной длинной линии, содержащих конденсаторы, перезаряженные до напряжения -  отключаются, поэтому только конденсаторы звеньев, которые не отключаются от участка цепи, содержащего параллельно соединенные размыкатель и нагрузку, будут в дальнейшем перезаряжаться до напряжения U=I·R, которое по модулю в R/ρ раз больше U. В результате, для осуществления патентуемого способа бездуговой коммутации необходимо использовать искусственную длинную линию, содержащую только 2-3 конденсатора с рабочим напряжением ~U. Использования же конденсаторов с существенно меньшим рабочим напряжением 2U в остальных звеньях искусственной длинной линии позволяет существенно уменьшить весогабаритные параметры, а также стоимость средства, используемого при осуществлении патентуемого способа: бездуговой коммутации.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером осуществления патентуемого способа бездуговой коммутации в устройстве для вывода энергии из индуктивного накопителя в нагрузку. Однако этот пример не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения указанного выше технического результата патентуемой совокупностью существенных признаков.
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг.1 схематично изображено устройство для вывода энергии из индуктивного накопителя энергии, на фиг.2 - зависимости от времени - t, напряжений U, U, U и U соответственно на конденсаторах первого, второго, третьего и четвертого звеньев искусственной длинной линии; на фиг.3 - временные зависимости токов I, I, I и I соответственно в индуктивностях первого, второго, третьего и четвертого звеньев искусственной длинной линии; на фиг.4 - временные зависимости напряжений на нагрузке - U(t), кривая А - согласно прототипу, кривая Б - согласно патентуемому способу бездуговой коммутации.
n
n
1
n
n
1
N
2
1
1
3
2
2
4
N-1
N
Устройство для вывода энергии из индуктивного накопителя, которое в предпочтительном воплощении изобретения используется для осуществления патентуемого способа бездуговой коммутации, содержит (фиг.1) индуктивный накопитель 1 энергии (ИНЭ), генератор 2 накачки, первый замыкатель 3, нагрузку 4, размыкатель 5, предпочтительно вакуумный с электродами 6 и 7, второй замыкатель 8, искусственную линию 9 (ИДЛ). ИДЛ 9 выполнена из N (например 10-12) одинаковых Г-образных LC-звеньев: 10.1, 10.2, 10.3, 10.4,…, 10.(N-1), 10.N. Каждое n-е звено ИДЛ 9, где n=1, 2, 3,…, N содержит индуктивность L и емкость C, при этом первый вывод индуктивности L первого звена 10.1, является незаземленным выводом 11 ИДЛ 9, второй вывод индуктивности L каждого n-го звена соединен с первым выводом соответствующего этому звену конденсатора C. Вторые выводы конденсаторов C÷С всех звеньев соединены между собой и являются заземленным выводом 12 ИДЛ 9. Первый вывод индуктивности L второго звена 10.2 соединен с точкой соединения второго вывода индуктивности L первого звена 10.1 с первым выводом соответствующего этому звену конденсатора C. Первый вывод индуктивности L третьего звена 10.3 соединен через размыкающий ключ 13 с точкой соединения второго вывода индуктивности L второго звена 10.2 с первым выводом соответствующего этому звену конденсатором C. Первый вывод каждой индуктивности L,…,L и L соответственно звеньев 10.4,…,10.(N-1), 10.N соединен с точкой соединения второго вывода индуктивности предшествующего звена с первым выводом соответствующего предшествующему звену конденсатором.
Первый вывод ИНЭ 1 соединен с первым выводом нагрузки 4, электродом 6 размыкателя 5 и первым выводом второго замыкателя 8. Второй вывод ИНЭ 1 соединен с незаземленным выводом генератора 2 накачки и первым выводом первого замыкателя 3, второй вывод которого соединен с заземленным выводом генератора 2 накачки, вторым выводом нагрузки, электродом 7 размыкателя 5 и заземленным выводом 12 ИДЛ 9. Второй вывод второго замыкателя 8 соединен с незаземленным выводом 11 ИДЛ 9.
0
0,
н
0
0
0
-1
-4
Способ бездуговой коммутации осуществляется следующим образом. В исходном состоянии первый 3 и второй 8 замыкатели находятся в разомкнутом состоянии, а размыкающий ключ 13 и размыкатель 5 - в замкнутом состоянии. Предварительно от источника постоянного напряжения (на чертеже не показан) производится зарядка ИДЛ 9 до напряжения U=ρ·I где ρ=(10÷10)R. Затем осуществляют запуск генератора 2 накачки. В результате в ИНЭ 1 возбуждается электрический ток накачки, который протекает также через коммутируемый участок цепи, содержащий параллельно соединенные нагрузку 4 и находящиеся в замкнутом положении электроды 6 и 7 размыкателя 5. После достижения током накачки ИНЭ 1 заданного значения I (за время 0,5÷1,0 сек), соответствующего максимуму накопленной в ИНЭ 1 анергии, сначала осуществляют отключение генератора 2 накачки от ИНЭ 1 путем подачи управляющего сигнала на первый замыкатель 3. В результате ИНЭ 1 оказывается замкнутым накоротко через последовательно соединенные первый замыкатель 3 и находящиеся в замкнутом положении электроды 6 и 7 размыкателя 5. Затем через размыкатель 5 пропускают импульс тока, величина которого равна, а направление противоположно соответственно величине и направлению коммутируемого тока (тока I, протекающего по коммутируемому участку цепи). Для этого переводят замыкатель 8 в замкнутое положение, иными словами, заряженную до напряжения U ИДЛ 9 подключает параллельно коммутируемому участку цепи. При равенстве нулю величины тока на коммутируемом участке цепи (при возникновении так называемой паузы тока) осуществляют разведение электродов 6 и 7 размыкателя 5 на заданное расстояние относительно друг друга, например с помощью индукционно-динамического механизма. Иными словами, разведение электродов 6 и 7 размыкателя 5 осуществляют синхронно с паузой тока.
0
1
N
0
0
1
N
n
1
1
0
2
3
N
1
1
1
1
2
3
4
2
3
4
2
2
2
2
3
4
Во время паузы тока (t) ироисходит перезарядка конденсаторов C÷C ИДЛ 9 с напряжения +U до напряжения -U (фиг.2), при этом, как было установлено в результате проведенных исследований, временные зависимости токов в индуктивностях L÷L ИДЛ 9 имеют следующие общие закономерности. После срабатывания замыкателя 8 (при t=0 на фиг.3) ток в индуктивности каждого звена ИДЛ 9 сначала быстро возрастает (иными словами, имеет место крутой передний фронт), а затем в течение времени t, где n=1, 2, 3, 4,…, N - номер звена ИДЛ 9, имеют место пульсации токов относительно достигнутого значения, при этом амплитуда пульсации тока в индуктивности первого звена ИДЛ 9 минимальна, но увеличивается с увеличением номера звена ИДЛ 9. Кроме того, длительность t (для тока I в индуктивности первого звена ИДЛ 9) равна длительности паузы тока - t, а длительности t, t,…, t для токов в индуктивностях последующих звеньев ИДЛ 9 меньше t. При t<t ток I в индуктивности L ступенчато уменьшается, а временные зависимости токов I, I, I и т.д. (соответственно в индуктивностях (L, L, L и т.д.) имеют вид, подобный затухающим колебаниям, при этом величина начального отклонения (выброса) тока в индуктивноетях ИДЛ 9, начиная с L, увеличивается с увеличением номера звена ИДЛ 9. В результате, если при t>t колебания тока I в индуктивности L не сопровождаются изменением направления этого тока, то колебания токов в индуктивностях L, L и т.д. сопровождаются изменением их направления уже в области первого максимума (фиг.3). Кроме того, перед окончанием паузы тока напряжения на конденсаторах звеньев ИДЛ 9 практически одинаковы (фиг.2).
3
4
н
Таким образом было установлено, что на заключительной стадии паузы тока на коммутируемом участке цепи в третьем и четвертом звеньях ИДЛ 9 создаются благоприятные условия для бездугового разрыва звеньев ИДЛ 9, а именно ток в индуктивностях L и L изменяет дважды знак, проходя при этом через нулевое значение. Иными словами, обеспечивается возможность бездугового отключения всех звеньев ИДЛ 9, начиная или с третьего, или с четвертого звена, не уменьшая длительности паузы тока. Бездуговое отключение звеньев ИДЛ 9, начиная с пятого или шестого, нецелесообразно, так как это приводит к уменьшению числа отключаемых звеньев ИДЛ 9, а следовательно, к увеличению числа конденсаторов в ИДЛ 9 с рабочим напряжением ~U.
3
В соответствии с вышесказанным перед или в момент окончания паузы тока осуществляют разрыв цепи между вторым и третьим звеньями ИДЛ 9 при достижении током в индуктивности L нулевого значения путем подачи управляющего сигнала на размыкающий ключ 13 (фиг.1), в качестве которого могут быть использованы полупроводниковые или быстродействующие газоразрядные ключи.
3
н
0
н
Подача управляющего сигнала на размыкающий ключ 18 может быть осуществлена, например, от бесконтактного датчика тока индуктивности L. Можно использовать также сигнал, подаваемый на замыкатель 8, задержанный с помощью соответствующей линии задержки на определенный предварительно, например экспериментально, заданный интервал времени. В результате параллельно коммутируемому участку цепи останутся подключенными только два первых звена ИДЛ 9, при этом напряжение на нагрузке 4 (кривая Б на фиг.4) будет ступенчато увеличиваться, пока не достигнет максимального значения - U=I·R. Для сравнения на фиг.4 представлена зависимость (кривая А) напряжения U(t) на нагрузке 4 в случае отсутствия размыкающего ключа 13 в ИДЛ 9. Сравнение кривых А и Б (фиг.4) показывает, что патентуемый способ позволяет существенно уменьшить время, необходимое для перезарядки ИДЛ 9. Следовательно, использование патентуемого способа бездуговой коммутации в устройстве для вывода энергии из ИНЭ 1 в нагрузку 4 позволит уменьшить количество накопленной ИНЭ 1 энергии, затрачиваемой на перезарядку ИДЛ 9.
4
Здесь необходимо отметить, что сказанное выше в равной степени относится к случаю размещения размякающего ключа 13 последовательно с индуктивностью L. В этом случав после срабатывания размякающего ключа 13 параллельно коммутируемому участку цепи останутся подключенными не два, а три первых звена ИДЛ 9.
н
н
н
-1
-3
Что касается соотношения между R и ρ, то при ρ>10R достигаемое уменьшение весогабаритных параметров ИДЛ 9 невелико. Соотношение ρ<10R не может быть реализовано в полной мере из-за отсутствия промышленно выпускаемых конденсаторов для сильноточной энергетики с рабочим напряжением ниже одного киловольта.
Промышленная применимость изобретения подтверждается также возможностью его реализации с использованием широко известных в сильноточной энергетике компонентов.