УПРАВЛЯЕМОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОММУТАЦИИ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве электронного коммутатора электрической цепи переменного тока.
Известен транзисторный ключ переменного тока [Патент РФ №2047270], осуществляющий коммутацию цепи переменного тока и содержащий первый транзистор n-р-n-типа проводимости, второй транзистор р-n-р-типа проводимости, эмиттеры которых подключены к общей шине, первый диод, катод которого соединен с коллектором первого транзистора, второй диод, анод которого соединен с коллектором второго транзистора, базы транзисторов объединены, первый вывод нагрузки подключен к объединенным аноду первого диода и катоду второго диода, трансформатор питания с первичной обмоткой, подключенной к входным выводам устройства для подключения к сети переменного тока, и вторичной обмоткой, имеющей промежуточный вывод и включенной между вторым выводом нагрузки и общей шиной, управляемый ключевой элемент с двусторонней проводимостью включен между промежуточным выводом вторичной обмотки трансформатора и объединенными базами транзисторов.
Недостатками этого устройства являются:
- использование управляемого ключевого элемента с двухсторонней проводимостью, что усложняет внешнюю схему управления им;
- наличие трансформатора, обуславливающее значительные массогабаритные показатели и снижающее надежность схемы;
- низкий КПД вследствие потерь мощности на биполярных транзисторах и обмотках трансформатора.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототипом), является ключ переменного тока [B.C.Руденко, В.И.Сенько, В.В.Трифонюк Приборы и устройства промышленной электроники. К.: Тэхника, 1990, с.304, рис.9.34.], содержащий диодный мост, который одной диагональю через нагрузку подключается к сети переменного тока, а во вторую диагональ эмиттером к «плюсу» моста, а коллектором к «минусу» подключен биполярный транзистор.
Недостатками прототипа является:
- возникновение коммутационных перенапряжений на биполярном транзисторе ключа переменного тока при работе на активно-индуктивную нагрузку, что снижает его надежность.
Задача, положенная в основу полезной модели, состоит в создании устройства для коммутации цепи переменного тока с возможностью управления режимами его работы путем использования внешних управляющих сигналов. При этом достигается технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей устройства, а также повышении надежности его работы за счет повышения степени защиты устройства и подключаемой нагрузки от импульсных перенапряжений, возникающих в питающей сети переменного тока и на его выходе при работе на активно-индуктивную нагрузку.
Технический результат достигается за счет использования управляемого устройства для коммутации цепи переменного тока, содержащего ключ переменного тока, выполненный на диодном мосте из четырех диодов и транзисторе, блок управления,
который выполнен на основе микропроцессора и состоит из формирователя импульсов тока управления и блока гальванической развязки. Устройство также содержит два блока защиты от импульсных перенапряжений. Первый подключен параллельно входным клеммам питания устройства. При этом первая входная клемма питания устройства подключается к входу ключа переменного тока, а вторая входная клемма питания соединяется со второй выходной клеммой устройства и входом однополупериодного выпрямителя. Выход однополупериодного выпрямителя соединен с входом блока питания и клеммой «плюс» управляющего выхода устройства. Второй блок защиты от импульсных перенапряжений, подключенный параллельно первой и второй выходным клеммам устройства, при этом, первая выходная клемма соединена с выходом ключа переменного тока. Имеется также второй транзистор, эмиттер которого подключен к «минусу» диодного моста ключа переменного тока, а коллектор соединен с клеммой «минус» управляющего выхода устройства. Выходы формирователя импульсов тока управления соединены с затворами второго транзистора и транзистора ключа переменного тока, а его входы подключены к управляющим выходам микропроцессора. Управляющие входы микропроцессора соединены с выходами блока гальванической развязки, первый и второй входы которого соединены с входными клеммами для внешних управляющих сигналов устройства. Первый выход блока питания подключен к входам питания блока гальванической развязки и микропроцессора, а второй выход блока питания соединен с входом питания формирователя импульсов тока управления.
BX1
BX2
BX1
BX2
BX2
HL
BX1
BX2
BX1
HL
У1
У2
На фиг.1 приведена функциональная схема управляемого устройства для коммутации цепи переменного тока, на фиг.2 - диаграммы напряжений на его элементах, иллюстрирующие работу схемы, где ключ переменного тока 1, выполнен на диодном мосте из четырех диодов 2, 3, 4, 5 и транзисторе 6. Устройство также содержит первый блок защиты от импульсных перенапряжений 7, подключенный параллельно входным клеммам питания устройства (~U, ~U). При этом первая входная клемма питания устройства (~U) подключена к входу ключа переменного тока 1, а вторая входная клемма питания (~U) соединена со второй выходной клеммой устройства (~U) и входом однополупериодного выпрямителя 8. Выход однополупериодного выпрямителя 8 соединен с входом блока питания 9 и клеммой «плюс» управляющего выхода устройства (+U). Второй блок защиты от импульсных перенапряжений 10 подключен параллельно первой и второй выходным клеммам устройства (~U, ~U), причем первая выходная клемма устройства (~U) соединена с выходом ключа переменного тока 1. Устройство также содержит второй транзистор 11, эмиттер которого подключен к «минусу» диодного моста ключа переменного тока 1, а коллектор соединен с клеммой «минус» управляющего выхода устройства (-U). Блок управления 12, выполненный на основе микропроцессора 13, включает блок гальванической развязки 14 и формирователь импульсов тока управления 15. Выходы формирователя импульсов тока управления 15 соединены с выходами затворов транзисторов 6, 11. Входы формирователя импульсов тока управления 15 подключены к управляющим выходам микропроцессора 13, а управляющие входы микропроцессора 13 соединены с выходами блока гальванической развязки 14. При этом первый и второй входы блока гальванической развязки 14 соединены с входными клеммами а, b, с, d устройства для внешних управляющих сигналов U, U. Кроме того, первый выход блока питания 9 подключен к входам питания блока гальванической развязки 14 и микропроцессора 13, а второй выход блока питания 9 соединен с входом питания формирователя импульсов тока управления 15.
1
5
5
11
Рассмотрим работу управляемого устройства для коммутации цепи переменного тока в повторно-кратковременном (t-t) и непрерывном (t-t) режимах.
BX1
BX2
HL
HL
Внешняя нагрузка подключается к выходным клеммам устройства (~U, ~U), а клеммы управляющего выхода устройства (-U, +U) подсоединяются к
BX1
BX2
BX2
выводам питания или выводам управления внешних устройств (на фиг. не показаны). Однофазное переменное напряжение подается на входные клеммы питания устройства (~U, ~U) и далее поступает на вход однополупериодного выпрямителя 8 и вторую выходную клемму устройства (~U). Полученное на выходе однополупериодного выпрямителя 8 постоянное напряжение, подается на вход блока питания 9. При этом на выходе блока питания 9 формируются питающие напряжения для блока управления 12.
У1
У2
Режим работы устройства определяется уровнями внешних управляющих сигналов U, U, которые посредством клемм а, b, с, d, поступают на входы блока гальванической развязки 14, при этом на его выходах формируются управляющие сигналы для микропроцессора 13. В зависимости от уровней этих управляющих сигналов, в соответствии с заданной в микропроцессоре 13 программой, реализуется следующий алгоритм его работы:
У1
У2
- при низком уровне внешних управляющих сигналов U, U, микропроцессор 13 находится в ждущем режиме и управляющие импульсы на его управляющих выходах отсутствуют;
У1
У2
- при высоком уровне внешнего управляющего сигнала U и низком уровне сигнала U на управляющих выходах микропроцессора 13 формируются управляющие импульсы, обеспечивающие повторно-кратковременный режим работы ключа переменного тока 1 и второго транзистора 11;
У1
У2
У2
У1
- при высоком уровне внешних управляющих сигналов U, U или высоком уровне внешнего управляющего сигнала U и низком уровне сигнала U, на управляющих выходах микропроцессора 13 формируются управляющие импульсы, обеспечивающие непрерывный режим работы ключа переменного тока 1 и повторно-кратковременный режим работы второго транзистора 11.
У1
У2
ВЫХ
BX1
BX2
При низком уровне внешних управляющих сигналов U, U, микропроцессор 13 находится в ждущем режиме, коммутация транзистора 6 ключа переменного тока 1 и второго транзистора 11 не выполняется и напряжение U на выходных клеммах устройства (~U, ~U) отсутствует.
У1
1
1
2
K1
K1
BX
BX1
BX2
BX1
BX2
ВЫХ
При подаче внешнего управляющего сигнала U с высоким уровнем в момент времени t, на входные клеммы а, b, связанные с первым входом блока гальванической развязки 14, устройство начинает работать в повторно-кратковременном режиме. При этом на выходе блока гальванической развязки 14 формируется сигнал, который поступает на управляющий вход микропроцессора 13. Под действием этого сигнала в интервале времени t-t на управляющем выходе микропроцессора формируется управляющий импульс, который после усиления его формирователем импульсов тока управления 15 поступает на затвор транзистора 6 ключа переменного тока 1 в виде напряжения U. Под действием напряжения U транзистор 6 удерживается в открытом состоянии и входное однофазное переменное напряжение U, подаваемое на входные клеммы питания устройства (~U, ~U) проходит на выходные клеммы устройства (~U, ~U) в виде напряжения U.
2
3
K2
HL
HL
3
4
4
5
В интервале времени t-t микропроцессор 13 прекращает формирование управляющего импульса для коммутации транзистора 6 и формирует управляющий импульс для включения второго транзистора 11, который после усиления его формирователем импульсов тока управления 15, поступает на его затвор в виде напряжения U. В результате обеспечивается подача напряжения на выводы питания или выводы управления внешних устройств, подключаемых к клеммам управляющего выхода устройства (-U, +U). В интервале времени t-t процесс коммутации транзистора 6 ключа переменного тока 1, в соответствии с заданной в микропроцессоре 13 программой, снова возобновляется, а на участке времени t-t, выполняется очередное включение второго транзистора 11. Таким образом, реализуется повторно-кратковременный режим работы ключа переменного тока 1 и второго транзистора 11.
У2
5
У2
У1
5
6
У2
У2
5
11
7
8
9
10
При подаче внешнего управляющего сигнала U с высоким уровнем в момент времени t, на входные клеммы с, d, связанные со вторым входом блока гальванической развязки 14, устройство начинает работать в непрерывном режиме. Причем, так как внешний управляющий сигнал U имеет наивысший приоритет, то непрерывный режим работы устройства обеспечивается также и при высоком уровне внешнего управляющего сигнала U (t-t). При подаче внешнего управляющего сигнала U на входные клеммы с, d, на выходе блока гальванической развязки 14 формируется сигнал, под действием которого микропроцессор 13 генерирует управляющий импульс, обеспечивающий удержание транзистора 6 ключа переменного тока 1 в открытом состоянии во всем временном интервале действия внешнего управляющего сигнала U (t-t). При этом формирование микропроцессором 13 управляющих импульсов для коммутации второго транзистора 11 продолжает выполняться по заданной в нем программе с интервалами времени t-t и t-t.
У2
11
BX1
BX2
HL
HL
При уменьшении уровня внешнего управляющего сигнала U до нуля в момент времени t, микропроцессор 13 прекращает формирование управляющих импульсов для коммутации транзистора 6 ключа переменного тока 1 и второго транзистора 11. В результате на выходных клеммах (~U, ~U) и клеммах управляющего выхода устройства (-U, +U) обеспечивается нулевой уровень напряжения.
С целью защиты управляемого устройства для коммутации цепи переменного тока от импульсных перенапряжений, возникающих в питающей сети переменного тока, используется первый блок защиты от импульсных перенапряжений 8, а для защиты устройства и подключаемой нагрузки от импульсных перенапряжений, возникающих при работе на активно-индуктивную нагрузку, используется второй блок защиты от импульсных перенапряжений 10. Оба блока защиты от импульсных перенапряжений полупроводникового типа. Принцип их действия основан на уменьшении внутреннего сопротивления под действием приложенного напряжения, поэтому в качестве них может быть использован варистор.
Таким образом, введение управляющих входов для управления режимами работы устройства и использование микропроцессора, позволяет существенно расширить функциональные возможности устройств для коммутации цепи переменного тока. Применение блоков защиты от импульсных перенапряжений позволяет повысить степень защиты устройства и подключаемой нагрузки от импульсных перенапряжений, возникающих в питающей сети переменного тока и на его выходе при работе на активно-индуктивную нагрузку, что в свою очередь, повышает надежность работы устройства.