РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ ДЛЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ПРЕРЫВАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DECOUPLER FOR DC GALVANIC BREAKING

Изобретение относится к разделительному устройству для прерывания постоянного тока между источником постоянного тока и электрическим устройством с токопроводящим механическим коммутирующим контактом и полупроводниковой электроникой, включенной параллельно ему, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Подобное электрическое устройство известно, например, из документа DE 10 2005 040 432 A1.
При этом под источником постоянного тока понимается, в частности, фотогальванический генератор (солнечная энергетическая установка), а под электрическим устройством - прежде всего инвертор.
Из DE 20 2008 010 312 U1 известна фотогальваническая, или солнечная установка, с так называемым фотогальваническим генератором, который, в свою очередь, состоит из солнечных модулей, объединенных группами в составные генераторы, со своей стороны включенными последовательно или в параллельные ветви. В то время как составной генератор отдает свою мощность постоянного тока через два зажима, мощность постоянного тока всего фотогальванического генератора подается через инвертор в сеть переменного напряжения. Для сокращения расходов на монтаж кабельной проводки и потерь мощности между составными генераторами и центральным инвертором поблизости от генераторов устанавливаются так называемые клеммные коробки генераторов. Коммутируемая таким образом мощность постоянного тока по общему кабелю обычно подается на центральный инвертор.
Поскольку фотогальваническая установка по условиям системы, с одной стороны, постоянно подает рабочий ток и рабочее напряжение в диапазоне 180-1500 В (по постоянному току), а, с другой стороны, например, в целях инсталляции, монтажа или обслуживания, а также, в частности, для общей защиты персонала, желательно надежное отделение электрических компонентов или устройств от фотогальванической установки, действующей в качестве источника постоянного тока, соответствующий разделитель должен быть в состоянии осуществлять прерывание под нагрузкой, т.е. без предварительного отключения источника постоянного тока.
Для размыкания под нагрузкой может быть использован механический переключатель (коммутирующий контакт) с тем преимуществом, что при произведенном размыкании контакта происходит гальваническое отделение электрического устройства (инвертора) от источника постоянного тока (фотогальванической установки). Однако недостаток заключается в том, что такие механические коммутирующие контакты из-за возникающей при размыкании контактов электрической дуги очень быстро изнашиваются или необходимы дополнительные затраты на гашение и охлаждение электрической дуги обычно посредством соответствующего механического переключателя с дугогасительными камерами.
Если же для размыкания под нагрузкой используются мощные полупроводниковые переключатели, то даже в нормальном режиме в полупроводниках имеют место неизбежные потери мощности. Кроме того, такие силовые полупроводниковые приборы не обеспечивают гальванического разделения и тем самым надежной защиты персонала.
Из DE 102 25 259 B3 известен электрический штепсельный разъем, выполненный в качестве силового разъединителя, который на манер гибридного переключателя содержит полупроводниковый коммутирующий элемент в виде, например, тиристора, в корпусе инвертора, а также главные и вспомогательные контакты, соединенные с фотогальваническими модулями. Опережающий в процессе выключения главный контакт подключен параллельно отстающему вспомогательному контакту, включенному последовательно с полупроводниковым коммутирующим элементом. При этом полупроводниковый коммутирующий элемент настраивается на предотвращение или гашение электрической дуги, для чего он периодически включается и выключается.
Из DE 103 15 982 А2 для прерывания постоянного тока сам по себе известен гибридный электромагнитный выключатель постоянного тока с главным контактом электромагнитного действия и с биполярным транзистором с изолированным затвором (IGBT - insulated gate bipolar transistor) в качестве полупроводникового переключателя.
Однако известные гибридные переключатели для управления полупроводниковым переключателем и обслуживания полупроводниковой электроники, в которой используется полупроводниковый переключатель, постоянно содержат внешний источник энергии.
В основу изобретения положена задача создания особенно удобного разделительного устройства, предназначенного для прерывания постоянного тока между источником постоянного тока, в частности, фотогальваническим генератором, и электрическим устройством, в частности, инвертором.
Эта задача согласно изобретению решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Для этого разъединитель соответствующим образом содержит механический коммутирующий контакт, рассчитанный на кратковременную электрическую дугу, т.е. на время горения электрической дуги менее 1 мкс, предпочтительно, меньшую или равную 500 мкс. Параллельно механическому коммутирующему контакту (переключателю или разъединительному элементу) включена полупроводниковая электроника, содержащая первый полупроводниковый переключатель, предпочтительно, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), и второй полупроводниковый переключатель, предпочтительно, полевой МОП-транзистор (MOSFET).
Полупроводниковая электроника разъединителя согласно изобретению не содержит никакого дополнительного источника энергии и поэтому при замкнутом механическом переключателе прекращает подачу тока, т.е. становится высокоомной и таким образом практически обесточенной, и без напряжения. Поскольку при замкнутых механических коммутирующих контактах через полупроводниковую электронику ток не протекает и потому, в частности, на данном полупроводниковом переключателе, или на каждом полупроводниковом переключателе, не происходит никакого падения напряжения, то полупроводниковая схема при замкнутом механическом переключателе не имеет также никаких потерь мощности. Более того, полупроводниковая электроника получает энергию, необходимую для своей работы, от разделительного устройства, т.е. от самой системы разъединителя. Для этого привлекается и используется энергия электрической дуги, возникающей при размыкании механического переключателя. При этом управляющий вход полупроводниковой электроники, или полупроводникового переключателя, соединяется с механическим коммутирующим контактом таким образом, чтобы при разомкнутом переключателе напряжение электрической дуги на переключателе, или на его коммутирующих контактах, и на параллельной им полупроводниковой электронике вследствие электрической дуги включать полупроводниковую электронику токопроводящим, т.е. низкоомным и тем самым токоведущим образом.
Как только полупроводниковая электроника уже в какой-то мере включена токопроводящим образом, ток электрической дуги от механического переключателя начинает переключаться на полупроводниковую электронику. При этом соответствующие напряжение и ток в электрической дуге заряжают накопитель энергии, предпочтительно, в виде конденсатора, который целенаправленно разряжается, генерируя управляющее напряжение для бездугового отключения полупроводниковой электроники. Заданное время, или постоянная времени, а тем самым продолжительность зарядки накопителя энергии, или, соответственно, конденсатора, определяет продолжительность горения электрической дуги.
Предпочтительно, вслед за процессом зарядки включается реле времени, в течение которого полупроводниковая электроника управляется без электрической дуги прекращения подачи тока. При этом время реле времени установлено на надежные гашение и охлаждение электрической дуги, или плазмы.
При этом изобретение исходит из того соображения, что для действительно бесконтактного и надежного прерывания постоянного тока в случае использования полупроводниковой электроники без собственного вспомогательного источника энергии может быть использовано гибридное разделительное устройство, выполненное в виде чистого двухполюсника. Это, в свою очередь, известным образом может быть достигнуто за счет использования для работы электроники энергии электрической дуги, генерируемой при размыкании механического переключателя, включенного параллельно электронике. Для этого электроника могла бы иметь накопитель энергии, аккумулирующий, по меньшей мере, часть энергии электрической дуги, которая затем использовалась бы электроникой в течение определенного времени работы, которое должно быть рассчитано на надежное гашение электрической дуги.
Конденсатор, целесообразным образом предусмотренный в качестве накопителя энергии, согласно предпочтительному варианту выполнения в сочетании с омическим сопротивлением определяет время зарядки или постоянную времени зарядки накопителя энергии. Продолжительность зарядки накопителя энергии и тем самым продолжительность горения электрической дуги установлена, предпочтительно, меньше, чем на 1 мс, целесообразным образом, на величину, меньшую или равную 0,5 мс. Это время, с одной стороны, достаточно мало, чтобы гарантированно избежать нежелательного обгорания коммутирующих контактов механического переключателя. С другой стороны, это время достаточно велико, чтобы гарантировать самообеспечение полупроводниковой электроники на последующее время, определяемое посредством реле времени, в течение которого происходит настройка электроники из низкоомного состояния коммутации в высокоомное (исходное) состояние отключения. По истечении времени задержки гарантировано, что погасшая электрическая дуга даже при высокоомном подключении электроники не сможет возникнуть снова. Тем самым уже достигнуты надежное разъединение и прерывание постоянного тока.
В качестве дополнительного предохранительного элемента для надежного гальванического прерывания и разъединения надлежащим образом предусмотрен дополнительный механический разъединитель, последовательно включенный с параллельной схемой из механического переключателя и полупроводниковой электроники.
В особенно предпочтительном варианте выполнения полупроводниковая электроника в дополнение к силовому выключателю или полупроводниковому переключателю, предпочтительно, выполненному в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), содержит другой силовой выключатель или полупроводниковый переключатель, выполненный в виде полевого МОП-транзистора (MOSFET - metal oxyd semiconductor field-effect transistor). При этом биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), управляемый практически без потребления мощности и имеющий хорошую характеристику пропускания при высоком обратном напряжении, надлежащим образом последовательно включен с другим полупроводниковым переключателем (MOSFET) по каскодной схеме. Тем самым полупроводниковые переключатели образуют коммутирующую цепь, параллельную главной цепи тока, образованной механическим переключателем. На коммутирующей цепи с размыканием механического переключателя и в результате регулировки данного полупроводникового переключателя, или каждого полупроводникового переключателя, во все большей степени коммутирует дуговой ток. Напряжение электрической дуги, падающее во время коммутации на гибридном разъединителе и тем самым на полупроводниковой электронике, составляет примерно 15-30 В.
Сначала первый полупроводниковый переключатель (IGBT) проводит таким образом, что между обоими полупроводниковыми переключателями - т.е. как бы на каскодном отводе от средней точки - снимается напряжение величиной, например, 12 В (постоянного тока), достаточное для зарядки накопителя энергии.
Это напряжение используется для зарядки накопителя энергии, а его накопленная энергия, в свою очередь, для управления полупроводниковыми переключателями в рамках полупроводниковой электроники с тем, чтобы снова полностью отключить оба коммутационных полупроводниковых переключателя, т.е. чтобы управлять с прекращением подачи тока. Затем главная цепь тока гальванически размыкается, а параллельная ей коммутирующая цепь становится высокоомной, вследствие чего на гибридном разъединителе возникает (устойчивое) высокое постоянное напряжение, например свыше 1000 В (постоянного тока), генерируемое источником постоянного тока. Поэтому с помощью задержки времени необходимо обеспечить не только гашение электрической дуги, но и охлаждение возникающей при этом плазмы.
Путем размыкания механического разъединителя, последовательно соединенного с этим автаркическим гибридным переключателем, достигается полное гальваническое прерывание постоянного тока.
Преимущества, достигнутые с помощью изобретения, заключаются, в частности, в том, что благодаря использованию автаркического гибридного разделителя, полупроводниковая электроника которого отбирает энергию для собственного питания напряжением из электрической дуги, возникающей при размыкании механического переключателя, для снабжения электроники не требуется никакого внешнего источника энергии или дополнительной вспомогательной энергии. Полупроводниковая электроника выполнена, предпочтительно, в виде двухполюсника и при замкнутом механическом переключателе является высокоомной, так что в нормальном нагрузочном режиме на гибридном разъединительном устройстве согласно изобретению практически не происходит никаких потерь мощности.
Разделительное устройство согласно изобретению, предпочтительно, предусмотрено для соответствующего прерывания постоянного тока в диапазоне постоянного напряжения даже до 1500 В (постоянного тока). Поэтому при предпочтительном использовании дополнительного механического разъединителя это автаркическое гибридное разделительное устройство особенно удобно для надежного и бесконтактного гальванического прерывания постоянного тока как между фотогальванической установкой и соединенном с ней инвертором, так и в сочетании, например, с установкой на базе топливных элементов или с аккумулятором (батареей).
Ниже примеры выполнения изобретения более подробно поясняются со ссылкой на чертежи, на которых
фиг.1 изображает блок-схему разделительного устройства согласно изобретению с автаркическим гибридным разъединителем между фотогальваническим генератором и инвертором,
фиг.2 - сравнительно подробную схему разделительного устройства с двумя полупроводниковыми переключателями в каскодной схеме, а также с конденсаторами в качестве накопителей энергии и
фиг.3 - на графике зависимости ток/напряжение-время результирующую временную характеристику тока и напряжения на переключателе во время и после погашения электрической дуги.
Элементы, соответствующие друг другу, на обеих фигурах обозначены одинаковыми позициями.
На фиг.1 схематично изображено разделительное устройство 1, включенное в примере выполнения между фотогальваническим генератором 2 и инвертором 3. Фотогальванический генератор 2 содержит несколько солнечных модулей 4, параллельно друг другу подключенных к общей клеммной коробке 5 генератора, действующего как бы в качестве точки сбора энергии.
Разделительное устройство 1 содержит в главной цепи 6 тока, представляющей собой положительной полюс, коммутирующий контакт 7, именуемый в последующем механическим переключателем, а также параллельно подключенную к нему полупроводниковую электронику 8. Механический переключатель 7 и полупроводниковая электроника 8 образуют автаркический гибридный разъединитель. В представляющий собой отрицательный полюс обратный провод 9 разделительного устройства 1 и тем самым всей системы может быть включен не показанный более подробным образом дополнительный гибридный разъединитель 7, 8.
Для полного гальванического разделения или прерывания постоянного тока между фотогальваническим генератором 2 и инвертором 3 как в представляющий собой положительный полюс прямой провод (главную цепь тока) 6, так и в обратный провод 9, могут быть расположены механически соединенные между собой коммутирующие контакты другого механического разделительного элемента 10.
Полупроводниковая электроника 8 содержит по существу полупроводниковый переключатель 11, включенный параллельно механическому переключателю 7, а также схему 12 управления с накопителем 13 энергии и с реле 14 времени. Схема 12 управления, предпочтительно, через сопротивление или ряд R сопротивлений (фиг.2), соединена с главной цепью 6 тока. Затвор биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), выполненный предпочтительно в качестве полупроводникового переключателя 11, образует управляющий вход 15 полупроводниковой схемы 8. Этот управляющий вход 15 через управляющую схему 12 подсоединен к главной цепи 6 тока.
На фиг.2 изображена сравнительно подробная схема электроники 8 автаркического гибридного разделительного устройства, включенной параллельно механическому переключателю 7. Очевидно, что первый полупроводниковый переключатель (IGBT) 11а по каскодной схеме последовательно соединен со вторым полупроводниковым переключателем 11b в виде MOSFET. Таким образом, каскодная схема с обоими полупроводниковыми переключателями 11а, 11b по аналогии с фиг.1 образует коммутирующую цепь 16, включенную параллельно механическому переключателю 7 и тем самым главной цепи 6 тока.
+
-
+
На схеме разделительного устройства, показанной на фиг.1, а также на каскодной схеме, изображенной на фиг.2, первый полупроводниковый переключатель 11а подсоединен к главной цепи 6 тока между источником 2 постоянного тока и гибридным разъединителем 7, 8. Там потенциал U всегда выше потенциала U на противоположной стороне переключателя, на которой к главной цепи 6 тока подсоединен второй полупроводниковый переключатель (MOSFET) 11b. Положительный потенциал U при замкнутом механическом переключателе 7 равен 0 В.
-
Первый полупроводниковый переключатель (IGBT) 11а шунтирован безынерционным диодом D2. Первый полупроводниковый стабилитрон D3 со стороны анода соединен против потенциала U, а со стороны катода - с затвором (управляющим входом 15) первого полупроводникового переключателя (IGBT) 11а. Другой полупроводниковый стабилитрон D4 со стороны катода опять же соединен с затвором (управляющим входом 15), а со стороны анода - с эмиттером первого полупроводникового переключателя (IGBT) 11а.
-
К отводу от средней точки, или к каскодному отводу 17 между первым и вторым полупроводниковыми переключателями 11а, или соответственно 11b каскодной схемы со стороны анода подсоединен диод D1, подключенный со стороны катода через конденсатор С, служащий накопителем 13 энергии, к потенциалу U. Накопитель 13 энергии могут образовывать также несколько конденсаторов С. Через отвод 18 напряжения со стороны анода между диодом D1 и накопителем 13 энергии, или конденсатором С, транзистор Т1, шунтированный омическими сопротивлениями R1 и R2, посредством других сопротивлений R3 и R4 соединен с затвором второго полупроводникового переключателя (MOSFET) 15, в свою очередь, подключенным к управляющему входу 15 полупроводниковой электроники 8. Другой полупроводниковый стабилитрон D5, с параллельным сопротивлением R5, со стороны катода соединен с затвором, а со стороны анода - с эмиттером второго полупроводникового переключателя (MOSFET) 11b.
Со стороны базы транзистор Т1 управляется через транзистор Т2, со своей стороны соединенный по базе через омическое сопротивление R6 с реле 14 времени, выполненным, например, в виде ждущего мультивибратора. Кроме того, со стороны база-эмиттер транзистор Т2 шунтирован другим сопротивлением R7.
K
LB
ZG
На фиг.3 в виде графика зависимости ток/напряжение-время изображена временная характеристика напряжения U переключения и тока I переключения гибридного разъединителя 7, 8 до размыкания контактов механического переключателя 7 в момент t времени и во время t горения электрической дуги LB на переключателе 7, или между контактами 7а, 7b (фиг.2) переключателя, а также в течение времени t, определенного, заданного или установленного с помощью реле 14 времени. При замкнутом механическом переключателе 7 главная цепь 6 тока является низкоомной, в то время как параллельная ей коммутирующая цепь 16 гибридного разъединителя 7, 8 является высокоомной и тем самым прекращает подачу тока.
K
K
K
K
LB
+
LB
Характеристика тока, изображенная в левой половине фиг.3, представляет собой ток I, протекающий исключительно через механический переключатель 7 до момента t времени размыкания контактов 7а и 7b переключателя. Размыкание механического переключателя 7 происходило еще в более подробно не специфицированный момент времени до момента t времени размыкания контактов. Напряжение U на переключателе, показанное в левой нижней половине фиг.3, по времени до момента t времени размыкания контактов практически равно 0 В, а с размыканием контактов 7а и 7b механического переключателя 7 в момент t времени скачкообразно возрастает до характерной для электрической дуги LB величины типичного напряжения U электрической дуги, например, от 20 до 30 В. Таким образом, при размыкании механического переключателя 7 положительный потенциал U устанавливается по отношению к напряжению U электрической дуги на уровне ≈ 30 В.
LB
K
Во время (горения электрической дуги) t, следующее за моментом t времени размыкания контактов, уже начинается переключение тока I переключения, по существу соответствующего дуговому току, с главной цепи 6 на коммутирующую цепь 16.
LB
LB
LB
ZG
LB
LB
За время t дуговой ток I практически разделяется между главной цепью 6 тока, т.е. через механический переключатель 7, и коммутирующей цепью 16, т.е. через полупроводниковую электронику 8. За это время t горения электрической дуги накопитель 13 энергии заряжается. При этом время t устанавливается таким образом, чтобы, с одной стороны, было достаточно энергии для надежного управления полупроводниковой электроникой 8, в частности, для ее отключения в период t времени вслед за периодом tвремени, представляющим собой время горения электрической дуги. С другой стороны, время tдостаточно мало, так что нежелательные обгорание или износ контактов переключателя 7, т.е. контактов 7а, 7b переключателя, исключены.
LB
Ab
+
С возникновением электрической дуги LB и тем самым при появлении напряжения U на электрической дуге первый полупроводниковый переключатель (IGBT) 11а размыкается через сопротивление R (фиг.2) по меньшей мере настолько, чтобы предоставить достаточное зарядное напряжение и достаточный дуговой, или зарядный, ток для конденсаторов С и тем самым для накопителя 13 энергии. Предпочтительно, для этого путем соответствующего шунтирования первого полупроводникового переключателя (IGBT) 11а с помощью сопротивления R и полупроводникового стабилитрона D3 создается контур регулирования электроники 8, с помощью которого на каскодном отводе 17 устанавливается, например, напряжение U=12 В (постоянного тока). При этом через первый полупроводниковый переключатель (IGBT) 11а с положительным потенциалом, близким U, протекает небольшая часть дугового тока и тем самым тока I переключения гибридного разъединителя 7, 8.
Ab
Напряжение U на отводе служит для питания схемы 12 управления электроникой 8, образованной по существу транзисторами Т1 и Т2, а также реле 14 времени и накопителем 13 энергии. Диод D1, соединенный со стороны анода с каскодным отводом 17, а со стороны катода с конденсатором С, препятствует обратному протеканию зарядного тока из конденсаторов С по коммутирующей цепи 16 в направлении потенциала U.
Sp
+
Если в конденсаторе С и тем самым в накопителе 13 энергии содержится достаточно энергии и вследствие этого управляющего, или переключающего, напряжения U на отводе 18 напряжения достаточно, то транзистор Т1 и, следовательно, транзистор Т2 открываются, так что оба полупроводниковых переключателя 11а, 11b также полностью размыкаются. Дуговой, или ток I переключения протекает практически исключительно по коммутирующей цепи 16 вследствие того, что по сравнению с очень высоким сопротивлением образованного разомкнутым переключателем 7 разрыва главной цепи 6 тока, сопротивление теперь разомкнутых полупроводниковых переключателей 11а, 11b существенно меньше. Таким образом, положительный потенциал U, если ток I переключения переключается на электронику 8, снова стремится к 0 В. Вследствие этого электрическая дуга LB между контактами 7а, 7b механического переключателя 7 гаснет.
ZG
ZG
ZG
ZG
Зарядная емкость и тем самым содержащаяся в конденсаторе С аккумулированная энергия рассчитаны таким образом, чтобы полупроводниковая электроника 8 проводила ток I переключения в течение времени t, заданного посредством реле 14 времени. Это время t может быть установлено, например, на t=3 мс. Расчет времени t и тем самым установка реле 14 времени по существу определяются специализированным или типичным временем для полного гашения электрической дуги LB, а также достаточным охлаждением образовавшейся при этом плазмы. При этом существенным мерилом является то, чтобы после отключения электроники 8 при коммутирующей цепи 16, являющейся на основании этого вновь высокоомной, и, следовательно, при прекращающей подачу тока полупроводниковой электронике 8 на по-прежнему разомкнутом механическом переключателе 7, или между его контактами 7а, 7b, не может возникнуть новая электрическая дуга LB.
ZG
В
+
В
По истечении времени t, установленного посредством реле 14 времени, ток I переключения практически падает до нуля (I=0 А), в то время как напряжение на переключателе одновременно возрастает до рабочего напряжения U, подаваемого источником 2 постоянного тока, например до 1000-1500 В (постоянного тока). Таким образом, если коммутирующая цепь 16 в результате прекращает подачу тока полупроводниковых переключателей 11 является высокоомной, а электроника 8 тем самым снова прекращает подачу тока, то положительный потенциал U стремится к этому рабочему напряжению U≈1000 В.
Поскольку в этот момент времени главная цепь 6 тока при одновременно высокоомной коммутирующей цепи 16 является гальванически разомкнутой, бездуговое прерывание постоянного тока между источником 2 постоянного тока и электрическим устройством 3 уже установлено. В результате связь между источником 2 постоянного тока и приведенным, например, в качестве электрического устройства инвертором 3 уже надежно прервана. Затем для обеспечения бесконтактного гальванического прерывания без нагрузки и без дуги может быть также дополнительно разомкнут механический разделительный элемент 10 разъединителя 1.
Перечень позиций
1 разделительное устройство
2 источник постоянного тока
3 инвертор
4 солнечный модуль
5 клеммная коробка генератора
6 главная цепь тока
7 коммутирующий контакт/переключатель
7а,7b контакт
8 полупроводниковая электроника
9 обратный провод
10 разделительный элемент
11а первый полупроводниковый переключатель
11b второй полупроводниковый переключатель
12 схема управления
13 накопитель энергии
14 реле времени
15 управляющий вход
16 коммутирующая цепь
17 каскодный отвод/отвод от средней точки
18 Отвод напряжения
I ток в переключателе
K
t момент времени размыкания контакта
LB
t время горения дуги
ZG
t время реле времени
U напряжение на переключателе
B
U рабочее напряжение
LB
U напряжение электрической дуги