ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к защитно-коммутационной аппаратуре и может быть использована в системах распределения постоянного тока повышенного напряжения в наземных и транспортных, в частности, авиационных системах электроснабжения.
Известен выключатель постоянного тока (аналог), содержащий первый и второй электромеханические контакторы, первые силовые контакты которых объединены, а управляющие входы подключены к первому и второму выходам командного устройства, первый диод, который одним выводом подключен к первой шине источника питания и первому зажиму нагрузки, к которым подключен первый вывод датчика напряжения, конденсатор и резистор, первые выводы которых объединены (см. ж. Электротехника, №11, 1998 г., стр.41, 42. статья В.П.Иванова и др. “Применение вакуумных выключателей для коммутации цепей постоянного и переменного тока на подвижном составе железнодорожного транспорта”).
Однако это известное устройство не может обеспечить достаточную скорость выключения, что приводит к снижению надежности системы питания, в частности - к недопустимым сверхтокам при коротких замыканиях в цепях нагрузки.
По технической сущности наиболее близким к заявляемой полезной модели (прототипом) является выключатель постоянного тока, содержащий первый и второй электромеханические контакторы, первый и второй электронные ключи, разгрузочные резисторы и накопительный конденсатор, а также командное устройство с цепями обратных связей по току и напряжению (см. Патент на изобретение №2178928. Выключатель постоянного тока (варианты) Белащенко М.Д., Ломанов А.В., Савенков А.И., Резников С.Б., Станкевич В.А., Куземин А.А.. Бюлл. №3 от 27.01.2002 г. 7 Н01Н 75/02).
Благодаря последовательному соединению электромеханического контактора и электронного ключа указанный выключатель постоянного тока имеет достаточное быстродействие выключения, сохраняя при этом возможность полной гальванической развязки между питающей сетью и нагрузкой. Накопительный конденсатор позволяет защитить электронные ключи от перенапряжений, вызываемых ЭДС самоиндукции индуктивности сетевых цепей.
Однако указанное известное устройство (прототип) имеет большие массу, габариты и стоимость из-за большой энергоемкости накопительного конденсатора, требуемой для отключения нагрузки, например, при аварийном коротком замыкании в ней.
Техническим результатом предложения является снижение массы, габаритов и стоимости устройства.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в выключатель постоянного тока, содержащий первый и второй электромеханические контакты, первые силовые выводы которых объединены и соединены с первым выводом питания через датчик тока, а управляющие выводы подключены, соответственно, к первому и второму выходным выводам командного устройства, диод, подключенный в непроводящем направлении к выходным выводам устройства, второй из которых объединен со вторым выводом питания и с первым измерительным выводом датчика напряжения, подключенного вторым измерительным выводом ко второму силовому выводу первого контактора, а сигнальным выводом, вместе с сигнальным выводом датчика тока - к выводам обратных связей командного устройства, цепь из последовательно между собой соединенных конденсатора и разгрузочного резистора, соединенного своим свободным выводом со вторым силовым выводом второго контактора, а также первый и второй электронные ключи, подключенные своими управляющими выводами, соответственно, к третьему и четвертому выходным выводам командного устройства, и зашунтированные нелинейными резисторами, первый электронный ключ включен между вторым силовым выводом первого контактора и первым выходным выводом устройства, а второй своим первым силовым выводом подключен к точке соединения первых выводов конденсатора и разгрузочного резистора, причем командное устройство имеет командный вывод и выполнено с возможностью поочередной подачи управляющих сигналов на своих выходных выводах в зависимости от сигналов на своих командном выводе и выводах обратных связей, введен балластный резистор, включенный между вторым силовым выводом второго электронного ключа и вторым выводом конденсатора, соединенным с объединенными вторым выводом питания и вторым выходным выводом устройства, а командное устройство выполнено с возможностью импульсной модуляции сигнала на своем четвертом выходном выводе в зависимости от величины сигнала на своих выводах обратных связей.
Сущность предложения заключается в том, что введение балластного резистора, соответствующее соединение элементов и расширение функций командного устройства позволили рассеять большую часть электромагнитной энергии, запасенной в индуктивностях сетевых цепей, снизив долю энергии, накапливаемую в конденсаторе за время отключения нагрузки (гашения тока короткого замыкания).
Предварительные испытания и компьютерное моделирование подтвердили возможность широкого промышленного использования устройства.
На фиг. представлена принципиальная силовая электрическая схема предложенного выключателя постоянного тока.
Выключатель постоянного тока содержит:
первый 1 и второй 2 электромеханические контакторы, первый вывод питания 3, датчик тока 4, командное устройство 5, диод 6, первый 7 и второй 8 выходные выводы, второй вывод питания 9, датчик напряжения 10, цепь из последовательно соединенных между собой конденсатора 11 и разгрузочного резистора 12, первый 13 и второй 14 электронные ключи, зашунтированные первым 15 и вторым 16 нелинейными резисторами. Командное устройство имеет командный вывод 17. Устройство содержит также балластный резистор 18.
Командное устройство имеет выводы 19, 20 обратных связей по току и напряжению, а также первый 21, второй 22, третий 23 и четвертый 24 выходные выводы. Оно выполнено с возможностью поочередной подачи управляющих сигналов на своих выходных выводах 21-24 в зависимости от сигналов на своих командном выводе 17 и выводах 19, 20 обратных связей, а также с возможностью импульсной (например, широтно-импульсной) модуляции сигнала на своем четвертом выходном выводе 24 в зависимости от величины сигнала на своих выводах 19, 20 обратных связей.
Первые силовые выводы электромеханических контакторов 1 и 2 объединены и соединены с первым выводом питания 3 через датчик 4 тока, а их управляющие выводы (выводы управляющих тяговых обмоток) подключены соответственно, к первому 21 и второму 22 выходным выводам командного устройства 5. Диод 6 подключен в непроводящем направлении к выходным выводам 7, 8 устройства, второй из которых соединен со вторым выводом питания 9 и с первым измерительным выводом датчика напряжения 10, подключенного вторым измерительным выводом ко второму силовому выводу первого контактора 1, Сигнальные выводы датчиков напряжения 10 и тока 4 подключены к выводам 20 и 19 обратных связей командного устройства 5. Разгрузочный резистор 12 цепи 12-13 соединен своим свободным выводом со вторым силовым выводом второго контактора 2.
Первый 13 и второй 14 электронные ключи подключены своими управляющими выводами, соответственно, к третьему 23 и четвертому 24 выходным выводам командного устройства 5, а их силовые выводы зашунтированы, соответственно, нелинейными резисторами 15 и 16.
Первый электронный ключ 13 включен между вторым силовым выводом первого контактора 1 и первым выходным выводом 7 устройства. Второй электронный ключ 14 своим первым силовым выводом подключен к точке соединения первых выводов конденсатора 11 и разгрузочного резистора 12, а вторым - через балластный резистор 18 - со вторым выходным выводом 8 и выводом питания 9.
В качестве электронных ключей 13 и 14 могут использоваться транзисторы (например, 1GBT - ключи) или двухоперационные (запираемые) тиристоры.
Выключатель постоянного тока работает следующим образом.
Выводы питания 3 и 9 подключены к питающей сети постоянного тока, а выходные выводы 7 и 8 - к нагрузке постоянного тока.
В исходном состоянии отсутствуют сигналы на выходных выводах 21-24 командного устройства 5 и соответственно выключены контакторы 1, 2 и электронные ключи 16, 17.
Для перехода на рабочий режим питания нагрузки на командный вывод 17 командного устройства 5 подается внешний сигнал включения, который вызывает на его втором выходном выводе 22 сигнал включения второго контактора 2, после чего замыкаются его силовые контакты, и происходит зарядка конденсатора 11 от сети через разгрузочный резистор 12. Далее с первого выхода 21 командного устройства 5 подается сигнал на управляющий вывод первого контактора 1, обеспечивая замыкание его силовых контактов. После этого появляется сигнал на третьем выходном выводе 23 командного устройства 5 и происходит подключение нагрузки к питающей сети путем включения ключа 13. В этом режиме оба контактора 1 и 2 остаются замкнутыми, электронный ключ 1 включен, а электронный ключ 14 выключен. При этом конденсатор 11 заряжен до напряжения, близкого к сетевому.
Переход на режим выключения питания нагрузки производится либо после снятия сигнала с командного вывода 17, либо по сигналам аварийного состояния (например, короткого замыкания в цепи нагрузки), поступающим на выводы обратных связей 19, 20 командного устройства 5. В обоих случаях одновременно подаются сигналы на выключение первого электронного ключа 13, на выключение первого контактора 1 и на периодическое высокочастотное включение (широтно-импульсную модуляцию) второго электронного ключа 14.
m
Первым по времени выключается первый электронный ключ 13, и сетевой ток переключается из цепи нагрузки 3-4-1-13-7-нагрузка-8-9 в цепь второго контактора 3-4-2-12-11 (и 14-18)-9, после чего первый контактор 1 выключается, и сетевой ток переводится в цепь второго контактора 2. Величина сопротивления разгрузочного резистора 12 выбрана такой, что при наибольшем выключаемом токе (токе короткого замыкания в нагрузке) напряжение на резисторе 12, а следовательно и на запертом первом электронном ключе 13, в первый момент после запирания ключа 13 приблизительно равняется максимально допустимому сетевому напряжению, которое и является рабочим напряжением запирания первого электронного ключа 13. После этого по мере зарядки конденсатора 11 сетевой ток и напряжение на 12 плавно снижаются, а напряжение конденсатора 11 повышается, до заданного уровня, оставаясь в сумме с напряжением на 12 постоянным и равным граничному (U), не превышающему допустимого напряжения запирания для первого электронного ключа 13. При этом производится стабилизация указанного суммарного напряжения с помощью регулируемой модуляции интервалов включенных состояний второго электронного ключа 14, т.е. путем регулирования мощности теплового рассеивания балластного резистора 18 за счет изменения среднеимпульсного напряжения на нем. Так как регулируемое напряжение на конденсаторе 11 в сумме с напряжением на 12 превышает номинальное сетевое напряжение, то сетевой ток снижается до нуля, после чего выключается второй электронный ключ 14 и второй контактор 2, осуществляя вместе с выключенным контактором 1 гальваническую развязку между питающей сетью и нагрузкой, а также между сетью и элементами устройства.
Для повышения надежности устройства оба электронных ключа 13 и 14 зашунтированы соответствующими нелинейными резисторами (варисторами, сопротивление которых уменьшается при повышении напряжения на них, т.е. на силовых выводах запертых электронных ключей, благодаря чему обеспечивается ограничение напряжения на ключах, т.е. снижается опасность их пробоя.
m
сп
m
Таким образом, большая часть электромагнитной энергии, запасенной в индуктивностях L сетевых цепей к моменту максимального (аварийного) тока I, суммируемой с энергией, потребляемой из сети за время спадания выключаемого тока , где U и I - сетевые напряжение и ток, t - время спадания тока) рассеивается в разгрузочном и балластном резисторах. Благодаря этому конденсатор 11 с электроемкостью С и максимальным напряжением U не должен быть рассчитан на большую энергоемкость , а следовательно он и все устройство в целом будут иметь меньшие массу, габариты и стоимость, что и составляет технический результат предложения.