КОММУТАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к системам железнодорожной автоматики, в частности, к средствам числового кодирования рельсовых цепей.
Известен коммутатор резонансной цепи переменного тока (SU, №422103, Н03К 17/56; Н01Н 47/00, опубл. 30.03.74, бюл. №12), выполненный на диодах и тиристорах и управляемый от внешнего источника питания, гальванически связанного с источником питания коммутируемой цепи. Недостатком этого коммутатора является многоэлементность, наличие гальванической связи двух источников, отсутствие защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений.
Известен коммутатор переменного тока (RU №25306, B61L 23/16; Н03К 17/56, опубл. 27.09.2002 г., бюл. №27), в котором коммутатор выполнен на диодах, тиристорах и пороговом элементе и управляемый энергией источника питания коммутируемой цепи путем замыкания и размыкания входной цепи коммутатора. В этом коммутаторе оптимизировано число элементов, нет необходимости во внешнем источнике питания для цепи управления, введен пороговый элемент для защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений в виде варистора.
Недостатком такого технического решения является существенный дрейф порогового уровня варистора в пределах ±20% в течение 10000 ч или 1,14 года (Варисторы постоянные СН2-1. Технические условия ОЖО. 468. 171 ТУ). Последнее означает, что если в начале эксплуатации пороговое значение напряжения варистора было, например, 430 В, то спустя примерно год оно может снизиться до 344 В. Это приводит к тому, что амплитудное напряжение, подаваемое на коммутатор в рабочем режиме, может превысить значение 344 В, (согласно справочника «Рельсовые цепи магистральных железных дорог: Справочник / В.С.Аркатов, Н.Ф.Котляренко, А.И.Баженов, Т.Л.Лебедева; под ред. В.С.Аркатова. - М.: Транспорт, 1982. - С.200») при
длине рельсовой цепи от 2250 м до 2500 м, удельном сопротивлении балласта 1 Ом·км и расчетном колебании питающего напряжения ±10% амплитуда коммутируемого напряжения составляет . В этом случае коммутатор начинает включаться не по цепи управления, а под воздействием питающего напряжения, посылая в рельсовую цепь непрерывное напряжение вместо кодовых сигналов.
Известен бесконтактный коммутатор тока БКТ-2М (Сороко В.И., Розенберг Е.Н. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник; в 2 кн. Кн.2. - 3-е изд. - М.: НПФ «Планета», 2000. - С.466), в котором коммутатор выполнен на диодах, тиристорах, с пороговым устройством и управляется энергией источника питания коммутируемой цепи путем замыкания и размыкания входной цепи коммутатора. Этот коммутатор является универсальным для применения на участках железных дорог с любым видом тяги. Универсальность обусловила применение силовых диодов и тиристоров на напряжение не менее 1220 В, которое может возникать на участках с электротягой переменного тока в результате векторного сложения амплитудных значений коммутируемого рабочего напряжения частотой 25 Гц и напряжения асимметрии при протекании тягового тока в рельсах частотой 50 Гц. При столь значительном напряжении на силовых элементах бесконтактного коммутатора тока для их защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений пороговое устройство выполнено на стабилитронах, каждый из которых обладает разбросом ±15% от номинального значения и равномерным законом распределения случайной величины порогового напряжения. Кроме того, с целью развязки в цепях управления тиристорами использовано по два включенных последовательно маломощных малогабаритных диода, каждый их которых зашунтирован резистором с целью выравнивания обратных напряжений. Данный коммутатор принят за прототип.
Недостатками бесконтактного коммутатора тока являются многоэлементность управляющей его части и значительный разброс порогового напряжения, образованного цепью из последовательно соединенных восьми
стабилитронов, что снижает надежность коммутатора. Так, если нижнее значение порогового устройства принять 1220 В, то верхнее значение будет 1651 В. Это означает, что какие-то БКТ при выпуске с завода имеют напряжение порогового устройства 1220 В, а какие-то БКТ - 1651 В. Следует принять во внимание, что класс по напряжению остальных полупроводниковых приборов выбирается исходя из верхнего значения (допустимое обратное напряжение силовых и развязывающих диодов и допустимое прямое напряжение тиристоров должны превышать верхнее напряжение порогового устройства 1651 В). Отсюда следует, что разброс стабилитронов прямо влияет на надежность коммутатора.
Задача полезной модели - повышение надежности и технологичности коммутатора переменного тока.
Технический результат достигается тем, что в коммутаторе переменного тока, содержащем тиристоры, силовые и вспомогательные диоды и пороговый блок, при этом катод первого тиристора соединен с анодом первого силового диода и является первым выходом коммутатора, катод второго тиристора соединен с анодом второго силового диода и является вторым выходом коммутатора, аноды тиристоров и катоды силовых диодов соединены между собой и являются первым управляющим входом коммутатора, к управляющим электродам каждого тиристора подключена катодом цепь из последовательно соединенных вспомогательных диодов, аноды последних диодов соединены между собой и являются вторым управляющим входом коммутатора, пороговый блок выполнен в виде цепи из последовательно соединенных диодов, катод первого диода соединен с первым управляющим входом коммутатора, а анод последнего диода соединен с вторым управляющим входом коммутатора, вспомогательные диоды и диоды порогового блока выполнены в виде TVS-диодов, при этом число TVS-диодов порогового блока должно быть на единицу меньше по сравнению с числом TVS-диодов в управляющих цепях тиристоров.
На чертеже представлена схема коммутатора переменного тока.
Коммутатор переменного тока состоит из тиристоров 1, 2 и силовых диодов 3, 4, причем катод тиристора 1 соединен с анодом силового диода 3 и подключен к клемме 5 первого выхода коммутатора, а катод тиристора 2 соединен с анодом силового диода 4 и подключен к клемме 6 второго выхода коммутатора, аноды тиристоров 1 и 2 и катоды силовых диодов 3 и 4 соединены между собой, а к управляющим электродам тиристоров 1 и 2 подключены катодом цепи 7, 8 из последовательно соединенных вспомогательных диодов, содержащих n TVS-диодов, аноды последних диодов объединены и подключены к клемме 9 цепи управления, а другая клемма 10 цепи управления соединена с анодами тиристоров 1 и 2, к которым подключен пороговый блок 11, состоящий из последовательно соединенных (n-1) TVS-диодов, катод первого диода порогового блока 11 соединен с клеммой 10. Анод последнего диода порогового блока 11 соединен с клеммой 9. Клеммы 9 и 10 являются управляющими входами коммутатора.
Коммутатор переменного тока работает следующим образом.
Управление коммутатором осуществляется путем замыкания и размыкания цепи между клеммами 9 и 10. Эту функцию в системах железнодорожной автоматики выполняет кодовый путевой трансмиттер (на чертеже не показан). При замыкании цепи между клеммами 9 и 10 энергией источника питания коммутируемой цепи поочередно включаются тиристоры 1 или 2 в зависимости от мгновенной полярности переменного тока. При этом по цепи между клеммами 5, 6 выходов коммутатора протекает переменный ток, определяемый величиной коммутируемой нагрузки и по времени ограничиваемый продолжительностью замкнутого состояния цепи управления.
Полупроводниковые элементы коммутатора защищены от повреждений грозовыми и коммутационными перенапряжениями, поступающими с выходных клемм 5 и 6. При этом защита диодов 3 и 4 от пробоя осуществляется последовательной цепью порогового блока 11 из (n-1) TVS-диодов, через которую избыток грозового или коммутационного перенапряжения поступает на управляющий электрод соответствующего тиристора 1 или 2 и
включает его. В результате защищаемый диод 3 или 4 шунтируется тиристором 1 или 2.
Благодаря тому, что TVS-диоды имеют разброс пороговых характеристик ±5%, имеется возможность уменьшить классификационные напряжения силовых приборов. Если в качестве конкретного случая рассматривать замену восьми стабилитронов порогового устройства, четырех диодов в цепях управления тиристорами и четырех резисторов, шунтирующих эти диоды, в БКТ-2М (Сороко В.И., Розенберг Е.Н. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник; в 2 кн. Кн.2. - 3-е изд. - М.: НПФ «Планета», 2000. - С.466) на TVS-диоды, например, типа Р6КЕ440А со средним пороговым напряжением 440 В, то получим нижнее значение порогового устройства 1254 В, то верхнее значение - 1386 В, т.е. существенно меньше, чем в прототипе. При этом вспомогательные диодные последовательные цепи 7 и 8, обеспечивающие развязывающую функцию, должны порог по напряжению иметь больше, чем пороговый блок 11. Данное условие достигается установкой дополнительного TVS-диода в каждой из цепей 7 и 8. При этом благодаря свойству обратимого пробоя (пороговому свойству) обратной вольт-амперной характеристики TVS-диодов выравнивающего делителя из резисторов, шунтирующих диоды, не требуется. Тогда вместо шестнадцати элементов трех наименований (стабилитроны, диоды, резисторы) в прототипе имеем одиннадцать элементов в заявляемом коммутаторе. Таким образом, за счет уменьшения разброса порогового напряжения TVS-диодов, за счет уменьшения числа элементов повышается надежность, а за счет использования одного вида и типа TVS-диодов решается задача повышения технологичности серийного производства коммутаторов переменного тока.