РЕЗОНАНСНЫЙ КОММУТАТОР ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к импульсной технике и может применяться для коммутации силовых цепей постоянного тока имеющих большую индуктивность без размыкания контактов.
Известно, что для замыкания цепей постоянного тока широко применяются тиристоры. Известно также, что отключение тиристора невозможно без перехода тока через нулевое значение и поэтому приходится применять различные электромеханические устройства (размыкатели, разъединители и т.д.), что значительно усложняет конструкцию коммутирующей аппаратуры, увеличивает ее габариты и стоимость.
Известен тиристорный выключатель постоянного тока [В.И.Стульников, П.И.Лапченко и др. // Тиристоры в электроустановках / Киев, изд. Техника, 1967, с.94], выбранный в качестве прототипа, содержащий источник постоянного напряжения, тиристор, нагрузку, диод, конденсатор, балластное сопротивление, первый и второй коммутаторы, включенные таким образом, что плюсовой вывод источника соединен с катодом диода, с первым выводом нагрузки и первым выводом балластного сопротивления, второй вывод балластного сопротивления подключен к первому выводу конденсатора и к первым выводам первого и второго коммутаторов, второй вывод конденсатора подключен к второму выводу нагрузки, аноду диода и к катоду тиристора. Управляющий электрод тиристора подключен к второму выводу первого коммутатора, а катод тиристора подключен к минусовому выводу источника и к второму выводу второго коммутатора.
Недостатком такого устройства является то, что конденсатор, предназначенный для отключения тиристора при замыкании второго коммутатора заряжен только до величины напряжения источника и при размыкании сильноточных цепей требуется большая величина емкости конденсатора. Расчеты проведенные с помощью программы Electronics Workbench показывают, что при размыкании цепи с током 500 А и напряжением источника 200 В требуется конденсатор с емкостью 18000 мкФ, что значительно увеличивает габариты устройства. Другим недостатком данного устройства является то, что при разряде конденсатора импульс тока проходит через тиристор и одновременно через источник и нагрузку, что может привести к выходу из строя измерительной аппаратуры, следовательно, уменьшается надежность работы устройства.
Задачей полезной модели является уменьшение габаритов устройства и увеличение надежности его работы.
Данная задача достигается тем, что в резонансный коммутатор цепей постоянного тока, также как в прототипе содержащий источник постоянного напряжения, тиристор, параллельно соединенные диод и нагрузку, выключатель и конденсатор, согласно полезной модели плюсовой вывод источника постоянного напряжения соединен с анодом тиристора, катод которого соединен с первым выводом нагрузки и с катодом диода, второй вывод нагрузки соединен с анодом диода и первым выводом вторичной обмотки понижающего трансформатора, второй вывод которой подключен к минусовому выводу источника постоянного напряжения. Первичная обмотка понижающего трансформатора включена последовательно с конденсатором, источником переменного напряжения и выключателем и образует с ними последовательный резонансный контур.
Полезная модель имеет следующие преимущества перед устройством прототипа:
1. Применение понижающего трансформатора вторичная обмотка которого включена первым выводом к второму выводу нагрузки и аноду диода, а вторым выводом к минусовому выводу источника постоянного напряжения позволяет генерировать импульсы тока в нагрузке при переходе которых через нулевое значение отключается тиристор и осуществляется размыкание силовой части схемы.
2. Включение источника переменного напряжения последовательно с первичной обмоткой понижающего трансформатора, конденсатором и выключателем, образующих последовательный резонансный контур, позволяет использовать явление резонанса напряжений для получения напряжения на первичной обмотке понижающего трансформатора в несколько раз превышающее напряжение источника переменного напряжения, что позволяет значительно снизить габариты источника переменного напряжения и увеличить надежность работы устройства в целом.
3. Применение резонансной схемы позволяет также существенно уменьшить габариты конденсатора по сравнению с габаритами конденсатора в устройстве прототипа.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, на фиг.2 - диаграммы токов.
Устройство содержит источник постоянного напряжения 1, плюсовой вывод которого подключен к аноду тиристора 2, катод которого соединен с первым выводом нагрузки 3 и с катодом диода 4, второй вывод нагрузки 3 соединен с анодом диода 4 и с первым выводом вторичной обмотки понижающего трансформатора 5, второй вывод
вторичной обмотки понижающего трансформатора 5 соединен с минусовым выводом источника постоянного напряжения 1. Первый вывод первичной обмотки трансформатора напряжения 5 подключен к первой обкладке конденсатора 6, второй вывод первичной обмотки понижающего трансформатора 5 подключен к первому выводу выключателя 7, второй вывод которого подключен к первому выводу источника переменного напряжения 8, а второй вывод источника переменного напряжения 8 подключен ко второй обкладке конденсатора 6.
На фиг.2 изображена диаграмма постоянного тока 9 протекающего через тиристор 2 и нагрузку 3, а также импульс тока 10, сформированный во вторичной обмотке понижающего трансформатора 5.
0
1
Устройство работает следующим образом. При подаче управляющего импульса на тиристор 2, источник постоянного напряжения 1 подключается к нагрузке 3 и по цепи источник 1 - тиристор 2 - нагрузка 3 - вторичная обмотка понижающего трансформатора 5 протекает постоянный ток 9. Для отключения нагрузки 3 от источника 1 в момент времени t замыкается выключатель 7 и по цепи через последовательно включенные источник переменного напряжения 8, конденсатор 6 и первичную обмотку понижающего трансформатора 5, настроенных на резонанс напряжений, протекает переменный синусоидальный ток, который индуктирует во вторичной обмотке понижающего трансформатора 5 переменный ток 10. Поскольку обмотки понижающего трансформатора 5 всегда включены встречно, то во вторичной обмотке вначале индуктируется отрицательная полуволна переменного напряжения. Переменный ток 10 накладывается на постоянный ток 9 и в момент времени t ток в нагрузке 3 и в тиристоре 2 переходит через нулевое значение. Тиристор 2 отключается и отключает силовую цепь нагрузки 3 от источника постоянного тока 1. Энергия запасенная в нагрузке 3 при индуктивном ее характере шунтируется диодом 4. После этого размыкается выключатель 7 и устройство приходит в первоначальное состояние. Благодаря резонансу напряжений в первичной обмотке понижающего трансформатора 5 возникает напряжение в несколько раз превышающее номинальное напряжение источника переменного напряжения 8, что позволяет осуществлять коммутацию сильноточных цепей постоянного тока при незначительных габаритах цепи переменного тока. Исследования данного устройства проведенные с помощью программы Electronics Workbench показали, что размыкание аналогичной прототипу цепи с индуктивной нагрузкой 5 Гн, напряжением источника 200 В и постоянным током в 500 А производится источником переменного напряжения 200 В и переменным током 50 А.