Использование бесконтактных размыкателей в цепи постоянного тока с индуктивной нагрузкой

С.В. Пустынников

канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский

политехнический университет»

Т.Е. Хохлова

канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский

политехнический университет»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕСКОНТАКТНЫХ РАЗМЫКАТЕЛЕЙ В ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКОЙ

Аннотация. Показана возможность использования бесконтактных размыкателей для коммутации сильноточных цепей постоянного тока с индуктивной нагрузкой. Представлены результаты виртуального моделирования работы различных схем размыкателей.

Ключевые слова: сильноточные и слаботочные цепи, ток нагрузки, резонансный, тиристор-ный и индуктивный размыкатели.

S.V. Pystynnikov, National Research Tomsk Polytechnic University

T.E. Khokhlova, National Research Tomsk Polytechnic University

USING CONTACTLESS BREAKER IN THE DC CIRCUIT WITH AN INDUCTIVE LOAD

Abstract. The possibility of using contactless breakers for switching high-current circuits with inductive loads. Presents the results of virtual simulation of the various circuits breakers.

Keywords: low-current and high-current circuits; the load current; resonance, thyristor and an inductive circuit breakers.

Коммутация сильноточных цепей постоянного тока, содержащих индуктивную нагрузку или имеющих внутреннюю индуктивность - линий электропередач, линий связи, цепей с генераторами и двигателями постоянного тока и т.д. - осуществляется при помощи электромеханических устройств: пускателей, контакторов, имеющих конечное время срабатывания.

В [1, 2] показано, что размыкание цепей постоянного тока с индуктивностью за время At ^ 0 приводит к изменению потокосцепления индуктивности от начального значения ¥ = L  i0 до нуля. При этом теоретически в индуктивности возникает импульс

перенапряжения uL = бесконечной величины.

На практике At > 0, что сопровождается возникновением дуги на размыкающих контактах, а также скачком напряжения на индуктивности в 5-7 раз превышающем напряжение источника питания, что приводит к выходу из строя коммутирующего оборудования.

Авторами были разработаны и исследована работа нескольких моделей устройств для размыкания цепей постоянного тока с внутренней индуктивностью, или с индуктивной нагрузкой, позволяющих осуществлять бесконтактное размыкание сильноточной цепи путем размыкания слаботочной цепи.

Модель тиристорного размыкателя представлена на рис. 1. Подключение нагрузки LH к источнику постоянной ЭДС Е осуществляется при помощи тиристора Т1, при этом ток течет через нагрузку Lн, тиристор Т1, и последовательно включенные индуктивно-

связанные катушки Ц и Ц, которые имеют согласное включение и одинаковые параметры.

Рисунок 1 - Принципиальная схема тиристорного размыкателя

Известно, что для отключения тиристора необходимо обеспечить переход тока в нем через нулевое значение, поэтому при отключении нагрузки от источника срабатывает тиристор Т2, который приводит к разряду двух одинаковых конденсаторов С1 и С2, заряженных до одинакового напряжения через индуктивно-связанные катушки 11 и Ц, включенные при разряде конденсаторов встречно. При этом потокосцепление в катушке индуктивности Ц уменьшается до нуля и ток в тиристоре Т1 переходит через нулевое значение, что приводит к отключению тиристора Т1 и к размыканию цепи с нагрузкой Цн. Запасенная в нагрузке энергия шунтируется диодом Д. Преимуществом данной схемы является то, что на переходный процесс при разряде конденсаторов не оказывают влияние параметры нагрузки Цн. Очевидно, что параметры конденсаторов С и С2, а также индуктивностей Ц и Ц должны обеспечивать колебательный переходный процесс, который с учетом одинаковых значений разрядных токов в конденсаторах при встречном включении индуктивностей будет описываться дифференциальным уравнением для тока в тиристоре Т1.

Модель индуктивного размыкателя представлена на рис. 2. Модель состоит из сильноточной цепи, в которой последовательно включенные постоянный источник ЭДС Е1, активно-индуктивное сопротивление нагрузки ЯН, Ц,, тиристор \/в, и индуктивного размыкателя, содержащего две индуктивно-связанных катушки индуктивности - Ц,, ^ и Ц2, ^ - включенных встречно, (причем Ц < Ц и И, < ^ благодаря чему ток в первой катушке в несколько раз превышает величину тока второй катушки /2) и подключенные последовательно со второй катушкой индуктивности сопротивление Я3 ^да, зашунтированное ключом К , и постоянный источник ЭДС Е2.

Предложенная модель позволяет осуществлять бесконтактное размыкание сильноточной цепи путем размыкания слаботочной цепи индуктивного размыкателя.

Подключение нагрузки ^, Ц, к источнику ЭДС Е, осуществляется путем подачи управляющего сигнала на тиристор \/в и по силовой цепи протекает ток . Слаботочная цепь подключается к источнику ЭДС Е2 , под действием которой протекает ток /2 по величине в 5-10 раз меньше тока .

Рисунок 2 - Схема индуктивного размыкателя При отключении нагрузки ЯН, 1Н от ЭДС Е. размыкается ключ К, ток /2 уменьшается практически до нуля. За счет индуктивной связи М , в первой катушке индуктивности 1Л, формируется отрицательный импульс тока, благодаря которому ток /. переходит через нулевое значение, что приводит к запиранию тиристора /в и отключению силовой цепи от источника ЭДС Е.. Энергия, запасенная в индуктивности ЦН, шунтируется диодом /й.

Модель резонансного размыкателя представлена на рис. 3. Модель состоит из сильноточной цепи, в которой последовательно включены постоянный источник ЭДС Е. активно-индуктивное сопротивление нагрузки тиристор /в, и резонанс-

ного размыкателя, содержащего две индуктивно-связанных катушки индуктивности -Ц и И2, 1.2 -включенных встречно и Я.<Я2), и подключенную последовательно

с катушкой индуктивности ¿.2 емкость С, ключ в, и источник синусоидальной ЭДС е2.

Предложенная модель позволяет осуществлять бесконтактное размыкание сильноточной цепи путем замыкания цепи резонансного коммутатора.

Рисунок 3 - Схема резонансного размыкателя

Подключение нагрузки 1Н к источнику ЭДС Е. осуществляется путем подачи управляющего сигнала на тиристор /в; по силовой цепи протекает ток

Для отключения нагрузки 1Н от ЭДС Е. замыкают ключ в, и резонансный коммутатор подключается к источнику синусоидальной ЭДС е2, под действием которой в цепи протекает ток /2, по величине в 3-5 раз меньше тока Контур с катушкой индуктивности И2, 12 и емкостью С настроен на резонанс напряжений, при заданной частоте. Тогда на индуктивности 1.2 возникает напряжение, превышающее величину ЭДС е2 в

число раз равное величине добротности резонансного контура.

За счет взаимной индуктивности M, при встречном включении катушек, в первой катушке индуктивности R Ц формируется отрицательный импульс тока, проходящий через диод VD, ЭДС E1 и тиристор VS, минуя нагрузку RH, LH. Ток i1 переходит через нулевое значение, что приводит к запиранию тиристора VS и отключению силовой цепи от источника ЭДС E1. Энергия, запасенная в индуктивности нагрузки ЦН, шунтируется диодом VD, поэтому перенапряжение на тиристоре VS не возникает.

Экспериментальные исследования работы предложенных схем бесконтактных коммутаторов были проведены при помощи виртуального моделирования в программы Electronic Workbench. Результаты исследований представлены на рис. 4, рис. 5, рис. 6.

а б

Рисунок 4 - Виртуальное моделирование работы тиристорного размыкателя: а) схема; б) осциллограмма тока нагрузки

Время перехода тока через нулевое значение (средняя линия на экране осциллографа) с момента срабатывания ключа составляет = 0.0111с.

а б

Рисунок 5 - Виртуальное моделирование работы индуктивного размыкателя: а) схема; б) осциллограмма тока нагрузки

Анализ осциллограмм показывает, что минимальное значение тока нагрузки со-

ставляет - \„

- 47 A.

а б

Рисунок 6 - Виртуальное моделирование работы резонансного размыкателя: а) схема; б) осциллограмма тока в нагрузке

Для моделирования индуктивно-связанных катушек использовался воздушный трансформатор. Анализ осциллограммы показывает, что минимальное значение тока нагрузки составляет - /т|П«-22,942 А.

Выводы:

.. Разработанные бесконтактные размыкатели способны коммутировать сильноточные цепи постоянного тока с индуктивной нагрузкой путем размыкания цепи постоянного тока, величина которого в 5-10 раз меньше, чем ток нагрузки. Это позволяет существенно уменьшить габариты размыкающего ключа в слаботочной цепи, которым может быть электромеханический коммутатор, увеличить срок службы и надежность его работы.

2. Проведены исследования работы моделей с заданными параметрами бесконтактный размыкателей. Установлены минимальные отрицательные значения тока нагрузки, которые подтверждают переход тока нагрузки через нулевое значение, что обеспечивает запирание тиристора в цепи нагрузки и ее отключение.

Список литературы:

1. Галинский П.П., Кононов А.П. и др. Теоретические основы электротехники в задачах. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1975. - 294 с.

2. Зевеке Г.В., Ионкин П.А. и др. Основы теории цепей. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 528 с.

List of references:

1. Galinsky P.P., Kononov A.P. and others. Theory of Electrical Engineering in problems. -Tomsk Univ. Press, 1975. - 294 p.

2. Zeveke G. V., lonkin P.A.and others. Fundamentals of circuit theory. - Moscow: Energoatomiz-dat, 1989. - 528 p.