РЕВЕРСИВНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОММУТАТОР, РАБОТАЮЩИЙ НА ИНДУКТИВНУЮ НАГРУЗКУ
REVERSIBLE SEMICONDUCTOR SWITCHING DEVICE OPERATING FOR INDUCTIVE LOAD

Изобретение относится к переключающим устройствам и может быть использовано в электротехнике для замыкания и размыкания электрической цепи переменного тока в заданные промежутки времени.
Известно устройство замыкания и размыкания электрической цепи, выполненное на четырех полупроводниковых ключах, в качестве которых использованы четыре тиристора, содержащее источник постоянного напряжения и RLC нагрузку. Аноды первого и четвертого тиристоров объединены и подсоединены к положительному выводу источника постоянного напряжения. Катод первого тиристора и анод второго тиристора объединены и соединены с RLC нагрузкой. Катод четвертого тиристора и анод третьего тиристора объединены и соединены с RLC нагрузкой. Катоды второго и третьего тиристоров объединены и подсоединены к отрицательному выводу источника постоянного напряжения (Лабунцов В.Α., Ривкин Г.Α., Шевченко Г.И. Электроприводы с полупроводниковым управлением. Автономные тиристорные инверторы / В.А. Лабунцов, Г.А. Ривкин, Г.И. Шевченко. - М.: Энергия, 1967. - СП, рис. 2б).
Основным недостатком описанного устройства является пониженная надежность вследствие сильного влияния нагрузки на условия коммутации за счет вхождения ее в состав RLC нагрузки.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является инвертор, работающий на активную нагрузку, выполненный на четырех полупроводниковых ключах, содержащий источник постоянного напряжения и нагрузку. Второй вывод первого полупроводникового ключа и первый вывод второго полупроводникового ключа объединены и соединены с первым выводом нагрузки. Первый вывод первого полупроводникового ключа и первый вывод третьего полупроводникового ключа объединены и подключены к положительному выводу источника постоянного напряжения. Второй вывод третьего полупроводникового ключа и первый вывод четвертого полупроводникового ключа объединены и соединены со вторым выводом нагрузки. Второй вывод второго полупроводникового ключа и второй вывод четвертого полупроводникового ключа объединены и подключены к отрицательному выводу источника постоянного напряжения. В качестве полупроводниковых ключей использованы транзисторы со встречно-параллельно соединенными диодами. Нагрузка использована активная. ЭДС самоиндукции, возникающая при коммутации индуктивной нагрузки, замыкается с помощью пары диагонально включенных диодов, если это возможно, через источник постоянного напряжения (Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи / В.С. Моин. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - С. 307, рис. 8.24, е).
Основными недостатками описанного инвертора являются низкая надежность ввиду отсутствия защищенности от ЭДС самоиндукции, возникающей при коммутации индуктивной нагрузки, повышенный расход электрической энергии на управление открытием и удержание в рабочем состоянии четырех транзисторов, а также необходимость в дополнительных изолированных источниках питания для управления транзисторами и в организации дополнительной фиксированной выдержки времени при переключении полупроводниковых ключей, что затягивает процесс переключения при разнообразной величине нагрузки.
Изобретением решается задача повышения надежности за счет надежной нейтрализации действия ЭДС самоиндукции при коммутации индуктивной нагрузки, уменьшения расхода электрической энергии и обеспечения отсутствия необходимости в организации дополнительной фиксированной выдержки времени при переключении полупроводниковых ключей за счет изменения схемы подключения полупроводниковых ключей.
Для решения поставленной задачи в реверсивном полупроводниковом коммутаторе, выполненном на четырех полупроводниковых ключах, содержащем источник постоянного напряжения и нагрузку, причем второй вывод первого полупроводникового ключа и первый вывод второго полупроводникового ключа объединены и соединены с первым выводом нагрузки, первый вывод первого полупроводникового ключа и первый вывод третьего полупроводникового ключа объединены и подключены к положительному выводу источника постоянного напряжения, второй вывод третьего полупроводникового ключа и первый вывод четвертого полупроводникового ключа объединены и соединены со вторым выводом нагрузки, второй вывод второго полупроводникового ключа и второй вывод четвертого полупроводникового ключа объединены и подключены к отрицательному выводу источника постоянного напряжения, в качестве второго и четвертого полупроводниковых ключей использованы транзисторы, согласно изобретению в качестве первого и третьего полупроводниковых ключей использованы тиристоры. При этом катод каждого из тиристоров соединен с анодом соответствующего полупроводникового диода, анод каждого из тиристоров соединен с катодом соответствующего полупроводникового диода, а нагрузка исполнена индуктивной.
Обеспечение возможности повышения надежности устройства и уменьшения расхода электрической энергии обусловлено введением вместо двух транзисторов двух тиристоров со встречно-параллельно включенными диодами, обеспечивающих протекание ЭДС самоиндукции через диод и работающий тиристор без замыкания ЭДС через источник постоянного напряжения.
Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная электрическая схема реверсивного полупроводникового коммутатора, работающего на индуктивную нагрузку.
Кроме того, на чертеже дополнительно изображено следующее:
- L - индуктивная нагрузка;
- VD1 и VD2 - полупроводниковые диоды;
- Т1 и Т3 - тиристоры;
- Т2 и Т4 - транзисторы;
- К1-К4 - полупроводниковые ключи;
- прямая линия со стрелкой вдоль индуктивной нагрузки - положительное направление постоянного тока;
- пунктирная линия со стрелкой вдоль индуктивной нагрузки - отрицательное направление постоянного тока.
Реверсивный полупроводниковый коммутатор содержит четыре полупроводниковых ключа, источник постоянного напряжения и индуктивную нагрузку. В качестве первого и третьего полупроводниковых ключей использованы тиристоры, причем катод каждого из тиристоров соединен с анодом соответствующего полупроводникового диода, а анод каждого из тиристоров соединен с катодом соответствующего полупроводникового диода. В качестве второго и четвертого полупроводниковых ключей использованы транзисторы. Второй вывод первого полупроводникового ключа и первый вывод второго полупроводникового ключа объединены и соединены с первым выводом нагрузки. Первый вывод первого полупроводникового ключа и первый вывод третьего полупроводникового ключа объединены и подключены к положительному выводу источника постоянного напряжения. Второй вывод третьего полупроводникового ключа и первый вывод четвертого полупроводникового ключа объединены и соединены со вторым выводом нагрузки. Второй вывод второго полупроводникового ключа и второй вывод четвертого полупроводникового ключа объединены и подключены к отрицательному выводу источника постоянного напряжения.
Реверсивный полупроводниковый коммутатор, работающий на индуктивную нагрузку, выполнен на полупроводниковых ключах первом (К1), втором (К2), третьем (К3) и четвертом (К4).
Первый вывод 1 первого (К1) полупроводникового ключа и первый вывод 2 третьего (К3) полупроводникового ключа, в качестве которых использованы тиристоры 3 (Т1) и тиристоры 4 (Т3), а также диоды 5 (VD1) и диоды 6 (VD2) соответственно, подключены к положительному выводу 7 источника постоянного напряжения. Катод тиристора 3 (Т1) соединен с анодом полупроводникового диода 5 (VD1), а анод тиристора 3 (Т1) соединен с катодом полупроводникового диода 5 (VD1). Катод тиристора 4 (Т3) соединен с анодом полупроводникового диода 6 (VD2), а анод тиристора 4 (Т3) соединен с катодом полупроводникового диода 6 (VD2).
Второй вывод 8 первого (К1) полупроводникового ключа и первый вывод второго (К2) полупроводникового ключа, то есть коллектор 9 транзистора 10 (Т2) второго (К2) полупроводникового ключа, объединены и соединены с первым выводом 11 индуктивной нагрузки 12 (L).
Второй вывод 13 третьего (К3) полупроводникового ключа и первый вывод четвертого (К4) полупроводникового ключа, то есть коллектор 14 транзистора 15 (Т4) четвертого (К4) полупроводникового ключа, объединены и соединены со вторым выводом 16 индуктивной нагрузки 12 (L).
Второй вывод второго (К2) полупроводникового ключа, то есть эмиттер 17 транзистора 10 (Т2), и второй вывод четвертого (К4) полупроводникового ключа, то есть эмиттер 18 транзистора 15 (Т4), объединены и подключены к отрицательному выводу 19 источника постоянного напряжения.
Работа реверсивного полупроводникового коммутатора, работающего на индуктивную нагрузку, происходит следующим образом.
При подаче управляющих сигналов на управляющий электрод тиристора 3 (Т1) и на базу транзистора 15 (Т4) ток протекает по нагрузке 12 (L) в прямом направлении. При снятии управляющего сигнала с базы транзистора 15 (Т4) возникающая ЭДС замыкается через диод 6 (VD2) и все еще открытый тиристор 3 (Т1). При снижении ЭДС до порогового значения тиристор 3 (Т1) сам закрывается, и ток протекать не будет. Выдержка времени на переключение не делается.
При подаче управляющих сигналов на управляющий электрод тиристора 4 (Т3) и на базу транзистора 10 (Т2) ток протекает по нагрузке 12 (L) в обратном направлении. При снятии управляющего сигнала с базы транзистора 10 (Т2) возникающая ЭДС самоиндукции, которая поддерживает прежнее направление тока на нагрузке 12 (L), замыкается через диод 5 (VD1) и все еще открытый тиристор 4 (Т3). При снижении ЭДС до порогового значения тиристор 4 (Т3) сам закрывается, и ток протекать не будет. Выдержка времени на переключение не делается.
Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод о том, что изобретение имеет преимущества по сравнению с известным из-за повышенной надежности за счет надежной нейтрализации действия ЭДС самоиндукции при коммутации индуктивной нагрузки, уменьшения расхода электрической энергии и обеспечения отсутствия необходимости в организации дополнительной фиксированной выдержки времени при переключении полупроводниковых ключей за счет изменения схемы подключения полупроводниковых ключей.