ИНДУКТИВНЫЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована для коммутации силовых цепей постоянного тока имеющих большую индуктивность без размыкания контактов.
Известен бесконтактный размыкатель цепей постоянного тока [RU 120826 U1, МПК Н03К 17/00 (2006.01), опубл. 27.09.2012], выбранный в качестве прототипа, содержащий источник постоянного напряжения, плюсовой вывод которого соединен с первым выводом нагрузки и с катодом вентиля в первую общую точку, минусовой вывод источника постоянного напряжения соединен с катодом тиристора, а второй вывод нагрузки соединен с анодом вентиля во вторую общую точку, к которой подключен выходной зажим вторичной обмотки трансформатора тока, причем первичная обмотка трансформатора тока имеет в 5-10 раз большее число витков, чем вторичная обмотка. Входной зажим вторичной обмотки трансформатора тока и анод тиристора соединены в третью общую точку с выходным зажимом первичной обмотки трансформатора тока и первым зажимом конденсатора, входной зажим первичной обмотки трансформатора тока соединен в четвертую общую точку со вторым зажимом конденсатора и первым зажимом резистора, причем второй зажим резистора подключен к первому зажиму коммутатора, а второй зажим коммутатора подключен к первой общей точке.
Недостатком такого устройства является малая величина отключаемого тока нагрузки.
Задачей полезной модели является увеличение величины отключаемого тока нагрузки.
Данная задача достигается тем, что индуктивный размыкатель цепей постоянного тока так же, как и устройство прототипа, содержит конденсатор, источник постоянного напряжения, плюсовой вывод которого соединен с первым выводом нагрузки и c катодом вентиля в первую общую точку, минусовой вывод источника постоянного напряжения соединен с катодом тиристора, а второй вывод нагрузки соединен с анодом вентиля во вторую общую точку, к которой подключен выходной зажим вторичной обмотки трансформатора тока, причем первичная обмотка трансформатора тока имеет в 5-10 раз большее число витков, чем вторичная обмотка. Входной зажим вторичной обмотки трансформатора тока и анод тиристора соединены в третью общую точку с выходным 1 зажимом первичной обмотки трансформатора тока, входной зажим первичной обмотки трансформатора тока соединен с первым зажимом резистора, причем второй зажим резистора подключен к первому зажиму коммутатора, а второй зажим коммутатора подключен к первой общей точке.
Согласно полезной модели, параллельно первичной обмотке трансформатора тока подключена катушка индуктивности, имеющая от 1.1 до 2 раз большую индуктивность и от 1.1 до 2 раз большую добротность, чем индуктивность и добротность первичной обмотки трансформатора тока, а конденсатор включен параллельно коммутатору.
Полезная модель имеет следующие преимущества перед устройством прототипа:
1. Благодаря подключению параллельно первичной обмотке трансформатора тока катушки индуктивности, имеющей от 1.1 до 2 раз большую индуктивность и от 1.1 до 2 раз большую добротность, чем индуктивность и добротность первичной обмотки трансформатора тока, в первичной обмотке трансформатора тока при размыкании коммутатора ток изменяется не от своего начального значения до нуля, как в устройстве прототипа, а от своего начального значения до отрицательного начального значения величины тока катушки индуктивности. Следовательно, бросок тока в первичной обмотке трансформатора тока полезной модели может в 1.1-2 раза превышать аналогичный бросок тока первичной обмотки трансформатора тока устройства прототипа, что приводит к увеличению величины отключаемого тока в нагрузке в 1.1-3 раза.
2. Путем изменения числа витков катушки индуктивности в 1.1-2 раза можно в 1.1-2 раза изменять величину напряжения вторичной обмотки трансформатора тока и, следовательно, плавно регулировать величину отключаемого тока в нагрузке без изменения параметров трансформатора тока.
На фиг.1 представлена принципиальная схема индуктивного размыкателя цепей постоянного тока, на фиг.2 - диаграмма тока в нагрузке, на фиг.3 - диаграмма тока в катушке индуктивности, на фиг.4 - диаграмма тока в первичной обмотке трансформатора тока.
Индуктивный размыкатель цепей постоянного тока содержит источник постоянного напряжения 1 (фиг.1), минусовой вывод которого подключен к катоду тиристора 2, а плюсовой вывод источника постоянного напряжения 1 включен в первую общую точку с первым выводом нагрузки 3 и с катодом вентиля 4. Анод вентиля 4 образует вторую общую точку со вторым выводом нагрузки 3 и выходным зажимом вторичной обмотки 5 трансформатора тока. Входной зажим вторичной обмотки 5 трансформатора тока подключен в третью общую точку с анодом тиристора 2, с выходным зажимом первичной обмотки 6 трансформатора тока и входным зажимом катушки индуктивности 7. Входной зажим первичной обмотки 6 соединен в четвертую общую точку с выходным зажимом катушки индуктивности 7 и первым зажимом резистора 8. Второй зажим резистора 8 подключен к первому зажиму коммутатора 9 и первому выводу конденсатора 10, а второй зажим коммутатора 9 и второй вывод конденсатора 10 подключены к первой общей точке.
L
К
L
П
L
К
П
Устройство работает следующим образом. При подаче управляющего импульса на тиристор 2, источник постоянного напряжения 1 подключается к нагрузке 3 и по цепи источник 1 - тиристор 2 - нагрузка 3 - вторичная обмотка 5 трансформатора тока протекает постоянный ток 11 (фиг.2). Одновременно срабатывает коммутатор 9, который подключает источник постоянного напряжения 1 через резистор 8 к параллельно включенным первичной обмотке 6 трансформатора тока и катушки индуктивности 7. В катушке индуктивности 7 возникает ток 12 I(0_) (фиг.3), а в первичной обмотке трансформатора тока 6 возникает ток 13 I(0_) (фиг.4), которые протекают от плюса к минусу источника постоянного тока 1. Поскольку добротность катушки индуктивности 7 от 1.1 до 2 раз выше добротности первичной обмотки 6 трансформатора тока, то ток I(0_) в 1.1-2 раза больше тока 13 IL(0_). Соответственно по первичной обмотке 6 трансформатора тока протекает постоянный ток 13, имеющий направление встречного включения относительно постоянного тока 11 вторичной обмотки 5 трансформатора тока, при этом величина тока 13 первичной обмотки 6, ограниченная резистором 8, в 5-10 раз меньше величины тока 11 вторичной обмотки 5 трансформатора тока.
0
+
К
0
L
К
L
К
L
П
L
К
В момент времени t коммутатор 9 размыкается и первичная обмотка трансформатора тока 6 и катушка индуктивности 7 будут включены последовательно и по ним будет протекать общий ток IL(0). В соответствии с обобщенным законом коммутации суммарное потокосцепление первичной обмотки трансформатора тока 6 и катушки индуктивности 7 в момент времени t не может измениться скачком, следовательно, в катушке индуктивности 7, имеющей большую индуктивность и более высокую добротность, чем первичная обмотка 6 трансформатора тока, формируется импульс тока 14, равный (I(0_) - I(0+)), причем ток не изменяет своего направления. В первичной обмотке 6 трансформатора тока ток меняет свое направление на противоположное и формируется импульс тока 15 равный (I(0_) - (- I(0+))). Под действием импульса тока 15 во вторичной обмотке 5 трансформатора тока возникает импульс тока 16, превышающий в 5-10 раз ток 13 первичной обмотки трансформатора тока. Благодаря встречному включению обмоток 5 и 6 трансформатора тока импульс тока 15 переходит через нулевое значение, что приводит к отключению нагрузки 3 от источника постоянного напряжения 1. Запасенная в нагрузке 3 энергия при ее индуктивном характере шунтируется вентилем 4. Возникающее перенапряжение на коммутаторе 9 уменьшается при помощи конденсатора 10.
С помощью программы Electronics Workbench были проведены исследования модели индуктивного размыкателя цепей постоянного тока с параметрами: напряжение источника постоянного тока 1-100 В, индуктивность первичной обмотки 6 повышающего трансформатора - 1 Гн, сопротивление первичной обмотки 6 повышающего трансформатора - 1 Ом, коэффициент трансформации трансформатора тока - 5, индуктивность нагрузки 3-5 Гн, индуктивность катушки индуктивности 7-1 Гн, активное сопротивление катушки индуктивности 7-0.5 Ом. При отключенной катушки индуктивности 6 величина отключаемого тока 11 в нагрузке 3 при размыкании коммутатора 9 составила 50 А, при подключенной катушки индуктивности 7 величина отключаемого тока 11 в нагрузке 3 при размыкании коммутатора 9 составила 140 А. Величина тока 13 в первичной обмотке 6 трансформатора тока в обоих случаях составила 10 А. Следовательно при подключении катушки индуктивности 7, имеющей в 2 раза большую добротность, чем добротность первичной обмотки 5 повышающего трансформатора, величина отключаемого тока 11 в нагрузке 3 увеличилась почти в 3 раза.