МОДУЛЬНОЕ СХЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОЩНОСТЕЙ И ВЫПОЛНЕННЫЙ ДЛЯ НЕГО АДАПТЕР
MODULAR CIRCUIT DEVICE FOR SWITCHING OF ELECTRIC CAPACITIES AND ADAPTER MADE FOR IT

Изобретение относится к модульному схемному устройству для коммутации электрических мощностей и к адаптеру, выполненному для применения в таком модульном схемном устройстве.
Для обеспечения возможности коммутации электрических мощностей часто применяются электромеханические выключатели, т.е. реле или контакторы. Как правило, реле не дорогостоящие. Кроме того они отличаются большой разрывной мощностью, низкой теряемой мощностью и нечувствительностью к кратковременным перегрузкам. Правда, вследствие своей механической конструкции, включающей в себя подвижный якорь и подвижные нормально разомкнутые контакты, реле подвергнуты износу. Поэтому в тех случаях применения, когда требуется большая частота коммутаций, применяются все более часто электронные реле, т.е. полупроводниковые реле. Такие электронные выключатели известны также в виде твердотельных реле. Полупроводниковые реле характеризуются незначительным износом, низкой чувствительностью к вибрациям и большой частотой коммутации.
В основу изобретения положена задача создания модульного схемного устройства для коммутации электрических мощностей, в котором износ традиционных реле может быть заметно снижен.
Основной замысел изобретения состоит в том, что электромеханический выключатель, т.е. реле или контактор, соединяют с электронным выключателем, т.е. с полупроводниковым реле, таким образом, чтобы нормально разомкнутые контакты реле размыкались и замыкались без нагрузки и, следовательно, при малой степени износа. Другой аспект изобретения состоит в том, что полупроводниковое реле является частью адаптера, причем реле и адаптер выполнены в виде раздельных модулей, соединенных между собой с возможностью разъема. В результате при наличии неисправности реле и/или полупроводниковое реле могут быть заменены независимо друг от друга.
Упомянутая выше техническая задача решается в изобретении посредством признаков пункта 1 формулы изобретения.
Согласно им предусмотрено модульное схемное устройство для коммутации электрических мощностей. Модульное схемное устройство содержит панельку реле, которая может разъемно соединяться с расположенным в корпусе адаптером. Адаптер содержит полупроводниковое реле, т.е. электронный выключатель, а также устройство управления, которое электрически соединено с ним. Также предусмотрено реле, которое может подключаться к адаптеру разъемно электрически и механически таким образом, что в состоянии после соединения полупроводниковое реле параллельно подключено к механическому выключателю реле. Устройство управления выполнено так, что оно может управлять реле и полупроводниковым реле в разные моменты времени.
Следует отметить, что в качестве реле может применяться также контактор, рассчитанный на большие мощности. Полупроводниковое реле может быть выполнено из транзисторов или тиристоров или симметричных триодных тиристоров. В качестве панельки реле и самого реле могут применяться стандартные конструктивные элементы.
Целесообразно, чтобы адаптер содержал, по меньшей мере, один первый вывод для подачи управляющего сигнала на устройство управления и вторые выводы для подключения реле к полупроводниковому реле и к устройству управления, а именно для активации и деактивации реле. В состоянии после соединения механический выключатель реле соединен параллельно с полупроводниковым реле. Реле содержит расположенные на соответствующих местах ответные соединительные контакты. Управляющие сигналы могут подаваться также на соответствующий вывод панельки реле, причем в этом случае в состоянии после соединения, т.е. в собранном состоянии схемного устройства электрическое соединение, по меньшей мере, с первым выводом обеспечивается панелькой реле.
Для обеспечения возможности подключения нагрузки к реле модульное схемное устройство может содержать четвертые выводы. Четвертые выводы могут располагаться, например, на адаптере, вследствие чего нагрузка может непосредственно подключаться к адаптеру. Также возможно, чтобы нагрузка подключалась к панельке реле. При таком замысле участок содержащей нагрузку электрической цепи реле пройдет в состоянии после соединения через панельку реле и адаптер.
Согласно предпочтительному варианту развития в адаптер встроен источник напряжения, который может подключаться к устройству управления через реле.
В альтернативном варианте выполнения панелька реле выполнена с возможностью подключения к источнику напряжения. В этом случае панелька реле, адаптер и реле в состоянии после соединения электрически соединены таким образом, что источник напряжения может подключаться к реле посредством устройства управления.
Для применения реле по существу без нагрузки или, по меньшей мере, с малой нагрузкой и, следовательно, при малом износе устройство управления включает, при срабатывании на первый управляющий сигнал, предназначенный для активирования реле, полупроводниковое реле в первый момент времени, во второй же, более поздний, момент времени оно активирует реле. Таким образом гарантируется, что нагрузочный ток будет протекать в момент включения реле по полупроводниковому реле.
Если во время работы реле полупроводниковое реле не выключено, то устройство управления деактивирует при срабатывании на второй управляющий сигнал реле и в более поздний момент времени, например, через несколько миллисекунд, выключает полупроводниковое реле.
В целях снижения теряемой мощности в полупроводниковом реле последний может быть выключен также и во время активной работы реле в третий момент времени. Для деактивации реле устройство управления, срабатывая на второй управляющий сигнал, инициирует сначала включение полупроводникового реле. По прошествии заданного интервала времени устройство управления деактивирует реле. Деактивация означает, что нормально разомкнутые контакты реле размыкаются или смыкаются, в зависимости от того, используется ли реле в качестве размыкающего или замыкающего. Затем полупроводниковое реле снова выключается.
Приведенная выше техническая задача решается также с помощью признаков пункта 9 формулы изобретения.
Согласно им предусмотрен адаптер для применения в описанном выше модульном схемном устройстве. Адаптер расположен в корпусе и содержит первое устройство для разъемного электрического и/или механического соединения с панелькой реле и второе устройство для разъемного электрического и/или механического соединения с реле. Кроме того в адаптер встроены полупроводниковое реле и электрически соединенное с ним устройство управления.
Ниже изобретение подробнее поясняется с помощью примера выполнения в сочетании с приложенными чертежами. При этом изображено:
фиг.1 - схематический вид сбоку на модульное схемное устройство для коммутации электрических мощностей согласно изобретению,
фиг.2 - вид сверху на адаптер на фиг.1, содержащий соответствующие соединительные контакты и позиционирующие штифты,
фиг.3 - эквивалентная схема гибридной ИС, образуемой адаптером и реле в состоянии после соединения.
На фиг.1 представлено в качестве примера модульное схемное устройство 10 для коммутации электрических мощностей. Модульное схемное устройство 10 может содержать коммерческую, стандартную, применяемую в промышленности панельку 40 реле. Кроме того модульное схемное устройство может содержать коммерческое, промышленное реле 20, размещенное в обычном корпусе.
Панелька 40 реле и реле 20 приведены в соответствие между собой таким образом, что реле 20 может устанавливаться на панельке. Кроме того предусмотрен адаптер 30, расположенный в соответствующем корпусе 120. Конструкция и принцип действия адаптера 30 будут подробнее рассмотрены ниже. Панелька 40 реле, адаптер 30 и реле 20 образуют модули модульного схемного устройства 10.
Адаптер 30 электрически и механически соединен с возможностью разъема с панелькой 40 реле. Реле 20 выполнено в свою очередь разъемным и соединено электрически и механически с корпусом 120 адаптера. Панелька 40 реле может содержать соединительные контакты 41, 42, к которым может подключаться источник 110 постоянного напряжения. Источник 110 постоянного напряжения обеспечивает катушку 21 реле 20 управляющим напряжением. Для этого соединительные контакты 41, 42 электрически соединены с соединительным контактом 102 панельки 40 реле. В состоянии после соединения модульного схемного устройства 10 присутствует электрическое соединение между контактами 103, 10 панельки 40 реле и соединительными контактами 100 или 101 адаптера 30. Как схематически показано на фиг.1, соединительный контакт 101 электрически соединен с соединительным контактом 34 адаптера 30, а соединительный контакт 100 - через устройство 50 управления с соединительным контактом 33 адаптера 30. Для этой цели устройство 50 управления содержит электронный выключатель (не показан). Соединительные контакты 100, 101 целесообразно расположить на обращенной к панельке 40 реле стороне корпуса 120 адаптера, а соединительные контакты 33, 34 - на противолежащей стороне корпуса 120 адаптера. В состоянии после соединения катушка 21 реле подключена через соответствующие соединительные контакты реле 20 к соединительным контактам 33, 34. В изображенном варианте выполнения управляющая электрическая цепь реле 20, отдельные участки которой показаны на фиг.3 и обозначены позицией 90, проходит от катушки 21 реле через адаптер 30 и панельку 40 реле к источнику 110 постоянного напряжения и снова возвращается.
На фиг.2 показано в качестве примера расположение выводов адаптера 30. На обращенной к реле 20 стороне корпуса 120 адаптера предусмотрены соединительные контакты 31, 32 для подачи управляющих сигналов на адаптер 30. К соединительным контактам 33, 34 подключается катушка 21 реле, а к соединительным контактам 36, 37 может быть подключен механический выключатель 22, т.е. нормально разомкнутые контакты реле 20. Механический выключатель 22 показан на фиг.3. Соответствующие соединительные контакты реле 20 не показаны. На нижней стороне корпуса 120 адаптера предусмотрены соединительные контакты 100, 101. В корпусе 120 адаптера 30 могут быть предусмотрены направляющие штифты 80, которые заходят в соответствующие выемки в панельке 40 реле. Соответствующие направляющие штифты или направляющие отверстия расположены на верхней стороне корпуса 120 или на нижней стороне реле 30.
Ниже с помощью фиг.3 подробнее поясняется эквивалентная электрическая схема образующейся в состоянии после соединения гибридной ИС, состоящей из адаптера 30 и реле 20.
На фиг.3 показана также схемная конструкция адаптера 30, представленного на фиг.1, без корпуса 120. Адаптер 30 содержит изображенное на фиг.1 устройство 50 управления, подключенное к полупроводниковому реле 60, известному также как твердотельное реле. Полупроводниковое реле 60 может быть выполнено, например, в виде p-n-p-транзистора. В этом случае выход устройства 50 управления будет подключен к базовому выводу 61 транзистора 60. Адаптер 30 содержит, например, оба изображенных на фиг.2 соединительных контакта 31, 32, которые соединены с устройством 50 управления на стороне входа. На оба соединительных контакта 31, 32 могут поступать управляющие сигналы, например, для активации или деактивации реле 20. Кроме того адаптер 30 содержит соединительный контакт 35, подключенный к выводу эмиттера 62 полупроводникового реле 60. Соединительный контакт 38 соединен с выводом 63 коллектора полупроводникового реле 60. К соединительным контактам 35, 38 может быть подключена через цепь 95 нагрузки реле 20 нагрузка 70. Цепь нагрузки 95 и нагрузка 70 показаны на фиг.3 штриховой линией. Подача питания на нагрузку 70 не показана. Необходимо отметить, что в качестве альтернативы нагрузка 70 может быть также подключена к панельке 40 реле. В этом случае цепь нагрузки 95 в собранном виде модульного схемного устройства 10 пропущена, по меньшей мере, отдельными участками через панельку 40 реле и адаптер 30. С помощью также показанных на фиг.2 соединительных контактов 36, 37 реле 20 электрически соединено с адаптером 30. Поскольку соединительные контакты 36, 37 электрически связаны с выводом 62 эмиттера или с выводом 63 коллектора полупроводникового реле 60, то в собранном виде механический выключатель 22 реле 20 будет параллельно подключен к полупроводниковому реле 60. При установке реле 20 на корпус 120 адаптера катушка 21 реле подключается с помощью одного вывода к соединительному контакту 34 и с помощью второго вывода к соединительному контакту 33 адаптера 30. В изображенном примере соединительный контакт 34 адаптера 30 соединен непосредственно с соединительным контактом 101, а соединительный контакт 33 соединен через устройство 50 управления с соединительным контактом 100 адаптера 30. Такой порядок соединений схематически показан на фиг.1. В этом варианте выполнения устройство 50 управления содержит управляемый выключатель (не показан), упоминавшийся в связи с фиг.1 и расположенный между соединительными контактами 33 и 100. Управляемый выключатель и управляющие логические элементы устройства 50 управления, управляющие управляемым выключателем и полупроводниковым реле 60, в отличие от изображенного примера выполнения могут быть выполнены в виде отдельных конструктивных элементов. Если корпус 120 адаптера устанавливается на панельке реле, то соединительные контакты 100, 101 адаптера 30 электрически соединяются с соответствующими соединительными контактами 102 или 103 панельки реле, вследствие чего катушка 21 реле, как показано на фиг.1, электрически соединяется с источником 110 постоянного напряжения. Следовательно катушка 21 реле, устройство 50 управления и источник 110 постоянного напряжения входят в состав управляющей цепи 90 реле 20.
Как показано на фиг.3, полупроводниковое реле 60 адаптера 30 и реле 20 образуют гибридную ИС, в которой полупроводниковое реле 60 параллельно подключено к механическому выключателю 22 реле 20. Таким образом гибридная ИС входит в состав цепи 95 нагрузки реле 20.
Далее подробно поясняется принцип действия схематически изображенного на фигурах 1 и 3 модульного схемного устройства 10.
Сначала необходимо допустить, что панелька 40 реле располагается предпочтительно на колпачковой шине (не показана) и что источник 110 напряжения подключен к соединительным клеммам 41, 42 панельки 40 реле, как показано на фиг.1.
Корпус 120 адаптера и, следовательно, сам адаптер 30 установлены на панельке 40 реле, благодаря чему соединительные контакты 100, 101 адаптера 30 электрически соединены с соединительным контактом 102 или 103 панельки 40 реле. Реле 20 уже установлено на корпусе 120 реле, вследствие чего катушка 21 реле электрически соединена с контактами 33, 34, а механический выключатель 22, т.е. нормально разомкнутые контакты 36, 37 адаптера 30, электрически соединен с контактами 36, 37 адаптера 30. Далее необходимо допустить, что цепь 95 нагрузки подключена к соединительным контактам 35, 38 корпуса 120 адаптера. Для дальнейшего рассмотрения предполагается, что реле 20 используется в качестве замыкающего контакта, т.е. в не рабочем состоянии механический выключатель 22 разомкнут.
Если необходимо активировать реле 20, то сигнал активации подается, например, через соединительный контакт 31 на устройство 50 управления. При срабатывании на сигнал активации устройство 50 управления управляет сначала полупроводниковым реле 60 для приведения в проводящее состояние, в результате чего цепь 95 нагрузки замыкается и нагрузочный ток может течь только по полупроводниковому реле 30. Механический выключатель 22 остается в этот момент все еще разомкнутым. Через задаваемый интервал времени, например, через несколько миллисекунд, устройство 50 управления замыкает расположенный между соединительными контактами 33, 100 выключатель, вследствие чего источник 110 напряжения подключается к катушке 21 реле. Известным образом механический выключатель 22 реле 20 замыкается после этого. Поскольку в момент коммутации нагрузочный ток течет не через механический выключатель 22 реле 20, а через полупроводниковое реле 60, то реле 20 может включаться почти без нагрузки и при малом износе. Кроме того эффекты дребезга, которые могут производиться механическим выключателем 22, не влияют на нагрузочный ток. Одновременно с замыканием механического выключателя 22 заметно снижается теряемая мощность полупроводниковым реле 60.
Во время работы полупроводниковое реле 60 может оставаться замкнутым или разомкнутым. Сначала следует предположить случай, при котором полупроводниковое реле 60 остается во время работы замкнутым. Если теперь реле 20 выключить, то, например, через соединительный контакт 32 на устройство 50 управления поступит соответствующий сигнал выключения. При срабатывании на сигнал выключения устройство 50 управления размыкает расположенный между соединительными контактами 33, 100 выключатель, вследствие чего размыкается управляющая цепь 90 и под ее воздействием также механический выключатель 22. Поскольку полупроводниковое реле 60 используется в момент коммутации в качестве активного байпаса, то механический выключатель 22 может снова размыкаться почти без нагрузки и при малом износе. Через некоторое время, например, через несколько миллисекунд, устройство 50 управления побуждает через базовый вывод 61 полупроводниковое реле 60 перейти в блокирующее состояние, т.е. полупроводниковое реле 60 размыкается.
В том случае, когда полупроводниковое реле 60 во время работы реле 20, т.е. при нахождении цепи 95 нагрузки в замкнутом состоянии, выключается, то устройство 50 управления, прежде всего при срабатывании на сигнал выключения, обеспечивает положение, при котором полупроводниковое реле 60 снова включается, т.е. переходит в проводящее состояние. Как только байпас, организованный через полупроводниковое реле 60, становится снова активным, устройство 50 управления размыкает расположенный между соединительными контактами 33, 100 выключатель. В результате механический выключатель 22 также размыкается. Учитывая, что в момент коммутации нагрузочный ток протекает большей частью через полупроводниковое реле 60, то механический выключатель 22 может снова включаться почти без нагрузки и при малом износе.
Если к реле 20 подключаются индуктивные нагрузки, то посредством встроенной в адаптер 30 защитной схемы предупреждаются обратные напряжения, возникающие при коммутации реле.
Реле 30 и панелька 40 реле могут быть соединены между собой и без промежуточной коммутации адаптера 30. Если однако это необходимо в связи с ситуацией, то между панелькой 40 реле и реле 30 может быть подключен адаптер 35, в результате чего образуется гибридная схема из полупроводникового реле 60 и реле 20.