ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ И ПРЕРЫВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ
SWITCHING DEVICE FOR CONDUCTING AND INTERRUPTING ELECTRIC CURRENTS

Область техники, к которой относится изобретение
[1] Изобретение относится к переключающему устройству для проведения и прерывания электрических токов и распределительному устройству, содержащему переключающее устройство этого типа.
Предшествующий уровень техники
[2] Традиционный принцип коммутации для переключения и подавления более высоких токов в распределительных устройствах, как правило, состоит в использовании контактного устройства с двойным прерыванием, которое проводит коммутационные дуги, возникающие в них, по направляющим для проведения дуги в виде пакета пластин, состоящего из гасительных плоских электродов в форме деионных дугогасительных камер. В этих камерах дуги охлаждаются и разделяются на множество поддуг, и это связано с соответствующим умножением напряжения электрической дуги. При достижении напряжения возбуждения дуга гасится и, таким образом, разрывается токовая цепь. При коммутации больших переменных токов гашение дуги обычно осуществляется с помощью динамических магнитных полей системы магнитного дутья, которые образуются внутри распределительного устройства за счет соответствующего формирования проводников тока. Однако для гашения постоянных токов, как правило, используются электромагнитные поля системы магнитного дутья, которые обычно вырабатываются посредством размещения постоянных магнитов.
[3] В отличие от традиционных распределительных устройств переменного тока, которые уже давно присутствуют на рынке, сравнительно большие распределительные устройства для прерывания низкочастотных токов, например, при частоте 16 2/3 Гц и постоянных токов, соответственно, имеют более высокую нагрузку в связи с более низкой или отсутствующей периодичностью прохождения тока через нуль. Более продолжительное время действия дуги, обусловленное этим, обеспечивает более высокую энергоемкость коммутационных дуг по сравнению с распределительными устройствами переменного тока. Это приводит одновременно к более интенсивному выгоранию материала контактов и, соответственно, к высокой тепловой нагрузке в пределах переключающей камеры. Тепловая нагрузка этого типа может понизить рабочие характеристики изоляции внутри переключающей камеры. В результате, это может привести к снижению срока службы электрического распределительного устройства.
[4] Один из вариантов уменьшения нагрузки на распределительное устройство, возникающее в результате действия коммутационных дуг, представляет собой то, что известно как гибридные выключатели. Известные гибридные выключатели, которые описаны, например, в документе DE 103 15 982 A1, состоят из параллельной цепи контактного устройства главного выключателя с электромеханическим приводом, содержащей полупроводниковый переключатель, например, на основе мощного биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT). При включении упомянутый IGBT-транзистор имеет высокое сопротивление, и поэтому ток нагрузки протекает только через замкнутые механические контакты. В процессе выключения полупроводниковый переключатель приводится в действие таким образом, что он имеет низкое сопротивление в течение короткого периода времени, и поэтому ток дуги, протекающий через механический выключатель, переключается на полупроводниковый переключатель в течение короткого периода времени, и затем упомянутый полупроводниковый переключатель приводится снова в действие способом блокировки тока, в результате чего ток, протекаемый в полупроводнике, быстро уменьшается до нуля без возникновения каких-либо дуг. Используя гибридную сборку этого типа, можно значительно уменьшить эффективное время действия дуги и поэтому можно значительно уменьшить нагрузку на выключатель.
[5] Большинство гибридных выключателей требует внешнего источника питания для того, чтобы подавать питание и приводить в действие полупроводниковую электронную систему. Этот недостаток устранен с помощью изобретения, описанного в документе DE 20 2009 004 198 U1. Это осуществляется таким образом, что мощность, требуемая для работы электронной системы, забирается из дуги, которая возникает при размыкании механического выключателя. В то же самое время блок для хранения энергии, предпочтительно в виде конденсатора, заряжается током дуги и затем подает управляющее напряжение для отключения силового полупроводника без каких-либо дуг. Поэтому процесс коммутации в гибридном выключателе этого типа всегда задействует коммутационную дугу, которая временно образуется между механическими контактами. Однако недостатком такой конструкции является, с одной стороны, нагрузка на распределительное устройство, как и раньше в связи с выгоранием контактов (даже в случае, если оно соответственно уменьшается вследствие значительно сокращенного времени действия дуги) и, с другой стороны, относительно продолжительная токовая нагрузка (особенно для более высоких токов) на силовой полупроводник до тех пор, пока не будет достигнуто надежное повышение напряжения.
[6] В схеме, описанной в документе US 2005/0195550 A1, энергия, накопленная в катушке электромагнитного привода, используется для приведения в действие полупроводникового переключателя. Для того, чтобы разомкнуть контакты распределительного устройства, подача питания на катушку привода отключается. Таким образом, катушка высвобождает энергию, накопленную таким образом, через стабилитрон, который подсоединен к первичной катушке трансформатора. Электрическая энергия, протекающая через первичную катушку, вырабатывает соответствующее напряжение на вторичной катушке трансформатора, напряжение которого возбуждает ток через резистор для ограничения тока и через стабилитрон, соединенный параллельно со вторичной катушкой, ток которой включает полупроводниковый переключатель, который соединен параллельно контактам распределительного устройства и берет на себя ток нагрузки. Таким образом, полупроводниковый переключатель включается более быстро, чем размыкаются механические контакты распределительного устройства, и поэтому ток нагрузки можно уже коммутировать в момент времени, при котором механические контакты на полупроводниковом переключателе разомкнуты. В результате, можно в принципе предотвратить развитие коммутационной дуги между механическими контактами.
[7] Переключающее устройство для проведения и прерывания электрических токов, имеющих признаки ограничительной части п.1 формулы изобретения, известной из документа ЕР 2 410 551 A2.
[8] В документе US 3639808 описана схема защиты контактов для реле, на катушку которой подается постоянное напряжение и контакт переключает переменное напряжения. Симистор соединен параллельно контакту и может управляться с помощью катушки, которая магнитно связана с катушкой реле.
[9] Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы предложить переключающее устройство для проведения и прерывания электрических токов и распределительное устройство, содержащее переключающее устройство этого типа, которое позволяет дополнительно улучшить схему, известную из документа US 2005/0195550 A1.
Сущность изобретения
[10] Эта задача решается с помощью предмета изобретения независимых пунктов формулы изобретения. Дополнительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
[11] Основная идея настоящего изобретения включает в себя использование двух механических контактных устройств, соединенных последовательно, и полупроводникового переключателя, соединенного параллельно с одной из механических контактных устройств для того, чтобы в значительной степени предотвратить развитие дуг при прерывании электрического тока, и также обеспечить надежную гальваническую развязку, которая в принципе не имеет контактных устройств на основе полупроводника, посредством второго электромеханического контактного устройства, соединенной последовательно.
[12] Один вариант осуществления изобретения относится к переключающему устройству для проведения и прерывания электрических токов, содержащему первое механическое контактное устройство, полупроводниковый переключатель, соединенный параллельно с первым механическим контактным устройством, второе механическое контактное устройство, соединенное последовательно с первым механическим контактным устройством, вспомогательную катушку, которая гальванически изолирована от контура тока переключающего привода для перемещения контактов первого и второго механических контактных устройств и электромагнитно связана с катушкой переключающего привода таким образом, чтобы в ней вырабатывалось напряжение при отключении напряжения в переключающий привод, и электронную коммутационную систему, которая предназначена для включения и отключения полупроводникового переключателя и подачи напряжения, которое вырабатывается во вспомогательной катушке при отключении подачи напряжения, в переключающий привод . Благодаря полупроводниковому переключателю, соединенному параллельно с первым механическим контактным устройством, можно уменьшить продолжительность развития дуг во время коммутации. Кроме того, за счет гальванической развязки источника питания от электронной коммутационной системы посредством вспомогательной катушки можно достичь высокой электрической прочности, если вспомогательная катушка разработана соответствующим образом, в результате чего электронная коммутационная система особенно хорошо защищена от слишком высоких напряжений.
[13] Вспомогательную катушку можно намотать на катушку переключающего привода. В результате, можно достичь особенно эффективной электромагнитной связи с катушкой переключающего привода, что означает, что можно получить надежный источник питания для электронной коммутационной системы.
[14] Электронная коммутационная система может быть предназначена для включения полупроводникового переключателя сразу после подачи напряжения из вспомогательной катушки. Так как механическое размыкание переключающихся контактов первого механического контактного устройства обычно занимает больше времени, чем подача питания в электронную коммутационную систему посредством вспомогательной катушки, полупроводниковый переключатель может уже включиться перед размыканием переключающих контактов, и поэтому электрический ток, который необходимо выключить, можно коммутировать от первого механического контактного устройства до полупроводниковый переключатель в основном без какого-либо возникновения дуг.
[15] Кроме того, можно предусмотреть трансформатор тока для обнаружения протекания тока через полупроводниковый переключатель и генерирования соответствующего сигнала, который передается в электронную коммутационную систему, при этом электронная коммутационная система предназначена для отключения полупроводникового переключателя в зависимости от передаваемого сигнала. Это позволяет адаптировать управление полупроводниковым переключателем, в частности, при отключении упомянутого переключателя, к флуктуациям, характерным для аппарата, электрического тока, который необходимо выключить. В частности, отключение полупроводникового переключателя можно лучше адаптировать фактическому протеканию тока.
[16] Например, электронная коммутационная система может быть предназначена для отключения полупроводникового переключателя сразу после приема сигнала из трансформатора тока и после того, как истечет заданный период времени протекания тока. Поэтому сразу после того, как трансформатор тока покажет, что ток протекает через включенный полупроводниковый ключ, продолжительность времени, в течение которого этот ток протекает, можно ограничить с помощью электронной коммутационной системы таким образом, чтобы полупроводниковый переключатель не находился под нагрузкой при протекании тока в течение слишком продолжительного периода времени. Заданный период времени протекания тока можно вычислить таким образом, чтобы после гашения коммутационной дуги, возникающей между контактами размыкающей второго механического контактного устройства, существовал период времени, достаточный для повторного восстановления прочности коммутационного промежутка при последовательном соединении первого и второго механических контактных устройств.
[17] Первую и вторую механические контактные устройства можно также выполнить с возможностью размыкания с помощью переключающего привода с задержкой по времени таким образом, чтобы второе механическое контактное устройство размыкалось только после того, как истечет заданный промежуток времени после размыкания первого механического контактного устройства. Так как контакты размыкаются с задержкой, можно почти полностью предотвратить возникновение дуги при размыкании контактов второго механического контактного устройства, если ток уже снизился до нуля в пределах заданного промежутка времени с помощью полупроводникового переключателя.
[18] Другой вариант осуществления изобретения также относится к распределительному устройству, содержащему переключающее устройство согласно изобретению и, как описано в данном документе, к переключающему приводу для перемещения контактов первого и второго механических контактных устройств. Распределительное устройство этого типа может иметь, в частности, специально модифицированный электромагнитный привод, в котором вспомогательная катушка переключающего устройства согласно изобретению намотана на катушку привода и обеспечивает подачу питания в электронную коммутационную систему, которая приводит в действие гибридный выключатель распределительного устройства.
Краткое описание чертежей
[19] Другие преимущества и возможные применения настоящего изобретения приведены в последующем описании совместно с вариантами осуществления, показанными на чертежах.
[20] Терминология и связанные с ней ссылочные позиции, которые используются в перечне ссылочных позиций, приведенном в конце описания, используются в описании, формуле изобретения, реферате и на чертежах.
[21] На чертежах показано:
[22] фиг.1 - принципиальная блок- схема варианта осуществления переключающего устройства, содержащего двухконтактный узел согласно изобретению; и
[23] фиг.2 - вариант осуществления магнитного привода распределительного устройства согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
[24] В последующем описании одинаковые, функционально одинаковые и функционально связанные элементы могут быть обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Абсолютные значения указаны ниже только посредством примера, и их не следует понимать как имеющие ограничивающие действия на изобретение.
[25] На фиг.1 показана принципиальная блок- схема переключающего устройства согласно изобретению для двухполюсного, независящего от полярности распределительного устройства. Соединения распределительного устройства для двух полюсов обозначены L1, T1 и L2, T2, соответственно.
[26] Для каждого полюса переключающее устройство содержит параллельное соединение первого механического ( дугогасительного) контактного устройства 10 с полупроводниковым переключателем 20 на основе встречно-последовательно включенной IGBT-сборки, которая соединена последовательно со вторым механическим контактным устройством 30 для обеспечения гальванической развязки.
[27] Полупроводниковый переключатель 20 включается или выключается, то есть активируется или разъединяется с помощью электронной коммутационной системы 50. Питание электронной коммутационной системы 50 осуществляется энергией, накопленной в катушке (электромагнитного привода) переключающего привода или электромагнитного привода распределительного устройства. Для этой цели предусмотрена вспомогательная катушка 40, которая гальванически изолирована от контура тока переключающего привода и (как описано подробно выше в дальнейшем) может вырабатывать напряжение для подачи в электронную коммутационную систему 50 при отключении переключающего привода.
[28] Например, вспомогательная катушка 40 может быть намотана на катушку привода. На фиг.2 показан электромагнитный привод, модифицированный таким способом для двухполюсного или многополюсного выключателя (показанный привод по существу не ограничивается конкретным числом полюсов). На этой фигуре катушка привода выполнена в виде двух полукатушек 45a, 45b, соединенных последовательно, причем каждый модуль включают в себя магнитопровод U-образного магнитного сердечника 46. Отдельная вспомогательная катушка 40 намотана на каждую из этих полуобмоток и гальванически изолирована от соответствующих обмоток привода. В этом случае вспомогательная катушка 40 либо подает питание на полупроводниковый переключатель 20 одного полюса в каждом случае, либо две вспомогательные катушки 40 подают питание в электронную коммутационную систему 50 двух полюсов с возможностью резервирования.
[29] При включении, то есть когда переключающий привод подает напряжение и ток на катушку магнитного привода, и контакты первого и второго механических контактных устройствустройств10 и 30 замкнуты, полупроводниковый переключатель 20 разъединяется, так как в этом состоянии вспомогательная катушка 40 не вырабатывает напряжение для подачи напряжения в электронную коммутационную систему 50, и поэтому электронная коммутационная система 50 остается без напряжения, и нельзя активировать IGBT-транзисторы полупроводникового переключателя 20.
[30] В момент времени, когда отключается подача напряжения и тока в катушку электромагнитного привода переключающего привода для размыкания контактов первого и второго механических контактных устройствустройств10 и 30, энергия, накопленная в катушке электромагнитного привода, вырабатывает напряжение холостого хода, который в свою очередь наводит напряжение, которое активирует электронную коммутационную систему 50 во вспомогательной катушке 40, которая электромагнитно связана с катушкой электромагнитного привода.
[31] Напряжение, наведенное во вспомогательной катушке 40, является достаточным как для подачи напряжения в электронную коммутационную систему 50, так и для повышения напряжения, требуемого для активации IGBT-транзисторов. Вспомогательная катушка 40 имеет преимущество, связанное с тем, что полупроводниковый переключатель может быть уже активирован до размыкания контактов первого и второго механических контактных устройств10 и 30.
[32] В распределительных устройствах, содержащих электромеханический электромагнитный привод, период времени между инициированием процесса отключения и размыканием механических контактов составляет, как правило, несколько миллисекунд (мс), типично приблизительно 10 мс. В течение этого времени пороговое напряжение IGBT-транзисторов (как правило, около 7 В) обычно уже превышает напряжение, наведенное на вспомогательной катушке 40, и поэтому электронная коммутационная система 50 может подавать упомянутое напряжение на IGBT-транзисторы полупроводникового переключателя 20, в результате чего IGBT-транзисторы соединены низкоомным способом (таким образом, полупроводниковый переключатель 20 включается), и ток нагрузки, который необходимо выключать, непосредственно коммутируется в полупроводниковом переключателе 20, когда разомкнуты (дугогасительные) контакты первого механического контактного устройства 10.
[33] Таким образом, за счет предварительной активации IGBT-транзисторов дуга больше не возникает между размыкающими дугогасительными контактами механического контактного устройства 10. Во время низкоомной фазы IGBT-транзисторов полупроводникового переключателя 20, то есть до тех пор, пока вспомогательная катушка 40 обеспечивает подачу достаточного рабочего напряжения на электронную коммутационную систему 50, дуга может возникать только в течение короткого периода времени между размыкающими (изолирующими) контактами второго механического контактного устройства 30; это можно также предотвратить в случае, если изолирующие контакты второго механического контактного устройства 30 не размыкаются в одно и то же время, как и дугогасительные контакты первого механического контактного устройства 10, но скорее всего изолирующие контакты размыкаются после определенной временной задержки по сравнению с дугогасительными контактами, и это может быть вызвано, например, соответствующей механической конструкцией двух механических контактных устройствустройств10 и 30.
[34] С точки зрения максимально возможного срока службы IGBT-транзисторов и с точки зрения их допустимых больших размеров, целесообразно ограничить протекание тока через полупроводниковый переключатель 20 с учетом времени таким образом, чтобы ток протекал здесь только до тех пор, пока механический коммутационный промежуток повторно не затвердеет в достаточной степени. Для того, чтобы минимизировать время протекания тока через полупроводниковый переключатель 20, важно иметь точные знания о моменте времени коммутации, так как эффективные промежутки времени для процесса механического отключения колеблются по различным причинам в каждом распределительном устройстве.
[35] Согласно настоящему изобретению момент времени коммутации IGBT-транзистора полупроводникового переключателя 20, который уже был активирован, можно определить с помощью трансформатора 60 тока, расположенного в нем. Трансформатор 60 тока вырабатывает сигнал сразу после того, как ток начинает протекать через IGBT-транзисторы полупроводникового переключателя 20, таким образом коммутируя протекание тока от первого механического контактного устройства 10 в полупроводниковый переключатель 20. Сигнал, который вырабатывается трансформатором 60 тока и показывает коммутацию, передается в электронную коммутационную систему 50, которая затем активирует полупроводниковый переключатель 20 в зависимости от упомянутого сигнала, как описано ниже.
[36] Сразу после того как происходит коммутация, электронная коммутационная система 50 может активировать полупроводниковый переключатель 20 таким образом, чтобы IGBT-транзисторы полупроводникового переключателя 20 возобновляли свою функцию блокировки спустя промежуток времени протекания тока, который является коротким, определяемым с помощью cистемы электронного привода или заданным, и поэтому кооммутированный ток нагрузки в полупроводниковом переключателе 20 падает до нуля в пределах определенного промежутка времени. В этом случае, электронная коммутационная система 50 вычисляет время протекания тока таким образом, чтобы при возникновении временной коммутационной дуги на изолирующих контактах было достаточно времени для повторного восстановления прочности коммутационного промежутка после гашения упомянутой дуги. Это особенно важно для сильных токов в воздушных зазорах при размыкании контактов. Если вакуумные камеры переключения используются для механической изоляции, можно получить сравнительно короткие промежутки времени повторного восстановления прочности, и это является преимущественным для минимизации времени протекания тока в IGBT-транзисторах.
[37] Оснащая полупроводниковый переключатель 20 встречно-последовательными включенными IGBT-транзисторами, узел переключения этого типа можно использовать как для постоянных токов, имеющих любое направление протекания тока, так и для переменных напряжений, имеющих различные частоты, при этом время переключения не зависит от фазового угла вследствие того, что питание на модуль привода подается отдельно.
[38] В процессе отключения в полупроводниковом переключателе 20 при больших токах dI/dt имеет высокие значения, в результате чего могут возникать резкие значки напряжения, значительно больше, чем 1 кВ. Для защиты от таких скачков напряжения целесообразно подключить защитный элемент, например, в виде варистора 70 либо перед полупроводниковым переключателем 20 либо параллельно ему.
[39] Когда достигнуто состояние, в котором ток равен нулю, полупроводниковый переключатель 20 постоянно берет на себя функцию блокировки. Наряду с этим в гибридном выключателе осуществляется надежная гальваническая развязка с помощью изолирующих контактов 30, которые между тем были разомкнуты.
[40] Если посредством подходящей механической или электронной связи гарантируется, что дугогасительные контакты первого механического контактного устройства 20 срабатывают раньше изолирующих контактов второго механического контактного устройства 30 на величину времени, в течение которого полупроводниковый переключатель 20 проводит электрический ток, можно достичь, что две механические контактные устройства 10 и 30 переключаются почти полностью без возникновения каких-либо дуг, и это соответственно является преимуществом для обеспечения предполагаемого срока службы переключающего устройства и, в особенности, гибридного выключателя.
[41] Настоящее изобретение особенно подходит для использования в контакторах, выключателях электропитания и защитных выключателях электродвигателей, которые предназначены, в частности, для работы с постоянными токами и/или низкочастотными токами. Настоящее изобретение делает возможным переключение больших постоянных токов и низкочастотных токов при сравнительно продолжительном сроке службы, так как можно предотвратить возникновение продолжительных электрических дуг, а также продолжительный период токовой нагрузки на полупроводниковый ключ. Кроме того, эти свойства позволяют производить сравнительно компактные распределительные устройства для больших токов.
Перечень ссылочных позиций
10 первое механическое контактное устройства
20 полупроводниковый переключатель
30 второе механическое контактное устройство
40 гальванически изолированная вспомогательная катушка
45a первая полукатушка
45b вторая полукатушка
46 U-образный магнитный сердечник
50 электронная коммутационная система
60 трансформатор тока
70 варистор.