Модульное твердотельное реле с замыкающими и размыкающими контактами
MODULAR SOLID-STATE RELAY WITH CLOSING AND OPENING CONTACTS

Изобретение относится к коммутационной технике, а именно к устройствам для электронной коммутации силовых и контрольных электрических цепей переменного тока промышленной частоты, работающим, в частности, в составе систем управления, автоматики и сигнализации.
Известен коммутатор на симметричных тиристорах, содержащий коммутационные элементы на базе симметричных тиристоров в цепях каждой фазы трехфазного напряжения переменного тока, одни из выводов которых подключены к выходным клеммам источника трехфазного тока, разделительные трансформаторы в цепи управления каждого симметричного тиристора, формирователь импульсов управления симметричными тиристорами, блок измерения и контроля, блок контроля напряжения, блок согласования, входы которого соединены с выходными клеммами источника трехфазного тока, формирователь импульсов управления симметричными тиристорами. Входы блока согласования соединены с выходными клеммами источника трехфазного тока, выходы блока согласования соединены с соответствующими входами блока измерения и контроля, выходы которого подключены к соответствующим входам формирователя импульсов управления симметричными тиристорами, выходы которого через разделительные трансформаторы соединены с управляющими электродами симметричных тиристоров, выводы которых через трансформаторы тока подключены к нагрузке, к соответствующим входам блока измерения и контроля и блока контроля напряжения, выходами подключенного к соответствующим входам блока измерения и контроля, соответствующие выходы которого соединены с другими входами формирователя импульсов управления симметричными тиристорами. Выходная шина блока измерения и контроля связана с последовательным каналом сопряжения с внешним устройством управления. Блок измерения и контроля соответствующими входами соединен с одними выводами датчиков температуры, другими выводами подключенных к общему проводу. Данный коммутатор позволяет осуществлять коммутацию нагрузок в цепях трехфазного напряжения переменного тока при наличии возможности контроля тока в нагрузке, контроля питающего и выходного напряжения, а также температуры коммутатора, что исключает сбои в нагрузке и повышает надежность работы коммутатора (патент RU 2214042, МПК H03K 17/72 (2006.01)).
Однако описанное устройство невозможно использовать для одновременной с коммутацией трехфазной нагрузки коммутации цепей управления и/или сигнализации вследствие отсутствия реализации в применяемых коммутационных элементах, функции размыкающих контактов. Кроме того, ремонтопригодность и восстановительная способность устройства снижены вследствие высокой сложности, проявляющейся в применении большого количества цифровых элементов.
Известно твердотельное реле с функцией контроля прохождения электрического тока нагрузки в электрических цепях переменного тока, содержащее оптосимистор, вход которого является входом твердотельного реле, и по меньшей мере один, подсоединенный к оптосимистору коммутационный элемент на базе силового симистора, К управляющему электроду оптосимистора подсоединена схема прохода через ноль. В разрыв одной из цепей управления симистором подсоединены встречно два диода, один из которых является диодом, другой - светодиодом, включенным в конструкцию транзисторной оптопары, выходы которой являются выходами контроля прохождения тока. Данное реле позволяет коммутировать однофазные цепи переменного тока и одновременно осуществлять контроль за целостностью коммутируемой цепи за счет выполненной схемы контроля прохождения тока, что позволяет контролировать протекание тока в цепи различными способами (патент RU 2351065, МПК H03K 17/72 (2006.01)).
Основными недостатками описанного устройства являются отсутствие возможности использования в трехфазных цепях переменного тока вследствие применения только одного коммутационного элемента, а также использования для коммутации цепей, в которых предусмотрено использование размыкающих контактов, из-за отсутствия в применяемом коммутационном элементе функции размыкающего контакта.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату - прототипом является многоканальное твердотельное реле с переключающимися контактами, содержащее управляющий модуль, в качестве которого использован генератор импульсов, первый и второй входы управления, блок защиты и стабилизации, блок гальванической развязки, цепь сброса, N коммутационных каналов, состоящих из пары двунаправленных коммутационных элементов на базе транзисторов, первого и второго выходов реле, третьего выхода реле. Первый и второй входы блока защиты и стабилизации соединены с первым и вторым входами управления соответственно, первый выход блока защиты и стабилизации - с первым входом генератора импульсов; первый выход генератора импульсов - с первым входом блока гальванической развязки, первый и второй выходы блока гальванической развязки - с первыми входами каждого из двунаправленных коммутационных элементов, третий выход блока гальванической развязки - с первым входом цепи сброса, первый выход первого коммутационного элемента и второй выход второго коммутационного элемента - со вторым и третьим входами цепи сброса. Второй выход первого коммутационного элемента соединен с первым выходом реле. Третий выход первого коммутационного элемента соединен с первым выходом второго коммутационного элемента и третьим выходом реле. Третий выход второго коммутационного элемента соединен со вторым выходом реле. Данное многоканальное твердотельное реле с переключающимися контактами обеспечивает коммутацию двунаправленных силовых сигналов вне зависимости от направления тока, протекающего через нагрузку, причем один из контактов реле является общим. В связи с этим, в данном твердотельном реле на основе коммутационных элементов реализовывается только функция переключающего контакта за счет того, что второй выход первого коммутационного элемента соединен с первым выходом реле, третий выход первого коммутационного элемента соединен с первым выходом второго коммутационного элемента и третьим выходом реле, а третий выход второго коммутационного элемента соединен со вторым выходом реле. Таким образом, устройство обеспечивает протекание тока по одному или другому пути в зависимости от наличия сигнала на входах управления. Кроме выполнения коммутации устройство имеет высокое быстродействие и надежность за счет применения блока защиты и стабилизации, а также гальванической развязки между силовыми цепями и цепями управления (патент RU 2589371, МПК H03K 17/00 (2006.01).
Недостатки данного многоканального твердотельного реле с переключающимися контактами состоят в отсутствии одновременной коммутации заданного количества связанных и не связанных друг с другом цепей переменного тока промышленной частоты при помощи двух коммутационных элементов, так как два коммутационных элемента обеспечивают контакт только для одной электрической цепи при отсутствии выделения среди этих коммутационных элементов размыкающих и замыкающих контактов в отдельности и объединении размыкающего и замыкающего коммутационных элементов внутри устройства, повышенной трудоемкости производства из-за большого числа составляющих, так как реле состоит из шести отдельных электронных устройств.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании модульного твердотельного реле, способного одновременно коммутировать заданное количество связанных и не связанных друг с другом цепей переменного тока промышленной частоты при числе коммутируемых цепей, равном числу используемых модулей контакта, и создания гибко настраиваемого устройства, в котором управляющий модуль один, число модулей контакта не ограничено, и каждый из модулей способен коммутировать отдельную электрическую цепь.
Решение данной технической проблемы достигается тем, что в модульном твердотельное реле с замыкающими и размыкающими контактами, содержащем управляющий модуль и по меньшей мере один коммутационный элемент, силовые цепи в которых имеют гальваническую развязку между собой и с цепью управления, согласно изобретению в качестве коммутационных элементов использованы n модулей замыкающего контакта на базе силовых симисторов, которые параллельно соединены с одним выходом управляющего модуля через соответствующую шину, и m модулей размыкающего контакта на базе силовых симисторов, которые параллельно соединены с другим выходом управляющего модуля через соответствующую шину. При этом для выполнения данных соединений модули установлены последовательно и применены контактные перемычки в количестве трех штук на каждую пару модулей, которые установлены между шинами.
Способность модульного твердотельного реле одновременно коммутировать заданное количество связанных и не связанных друг с другом цепей переменного тока промышленной частоты при числе коммутируемых цепей, равном числу используемых модулей контакта, обусловлены применением в качестве коммутационных элементов модулей контакта двух типов: размыкающего и замыкающего контактов, что, вкупе с модульной конструкцией твердотельного реле, позволяет создать гибко настраиваемое устройство, в котором совмещены все необходимые функции, реализуемые различными типами контактов, где управляющий модуль один, число модулей контакта не ограничено, и каждый из модулей контакта способен коммутировать отдельную электрическую цепь.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена функциональная схема модульного твердотельного реле с замыкающими и размыкающими контактами; на фиг. 2 - принципиальная схема его управляющего модуля; на фиг. 3 - принципиальная схема модуля замыкающего контакта; на фиг. 4 - принципиальная схема модуля размыкающего контакта; на фиг. 5 представлен общий вид управляющего модуля; на фиг. 6 - общий вид модуля замыкающего контакта; на фиг. 7 - общий вид модуля размыкающего контакта; на фиг. 8 - общий вид в сборе модульного твердотельного реле с замыкающими и размыкающими контактами.
Модульное твердотельное реле с замыкающими и размыкающими контактами содержит управляющий модуль с индикацией наличия питания, индикацией включенного состояния, обеспечивающий переключение контактов твердотельного реле, и коммутационные элементы на базе силовых симисторов. В качестве коммутационных элементов использованы п модулей замыкающего контакта, которые обеспечивают замыкание участка цепи, подключенного к их клеммам, при подаче сигнала управления на управляющий модуль, и m модулей размыкающего контакта, которые обеспечивают постоянное замыкание участка цепи, подключенного к их клеммам в нормальном режиме, и размыкание данного участка при подаче сигнала управления на управляющий модуль. В модулях контакта силовые цепи имеют гальваническую развязку между собой за счет того, что каждый модуль контакта коммутирует отдельную цепь, и с цепью управления за счет применения оптосимисторов. Модули контакта последовательно соединены контактными перемычками между собой и с управляющим модулем.
Управляющий модуль 1 представляет собой электронное устройство, предназначенное для обеспечения выдачи выходных сигналов напряжения для переключения контактов модульного твердотельного реле с замыкающими и размыкающими контактами в зависимости от наличия/отсутствия входных сигналов напряжения. Управляющий модуль 1 содержит два индикационных светодиода 2 (HL1.1), 3 (HL1.2), резистор 4 (R1.1), резистор 5 (R1.2), резистор 6 (R1.3), резистор 7 (R1.4), выпрямительный диод 8 (VD1.1), диод Шоттки 9 (VD1.2), транзистор прямой проводимости р-n-р 10 (VT1.1), клемму 11 (Uпит), клемму 12 (Uнз), клемму 13 (Uвх), клемму 14 (Uнo), клемму 15 (GND). При этом клемма 12 (Uнз), клемма 14 (Uнo), клемма 15 (GND) одновременно являются шинами, распространяющими соответствующие контакты по всем модулям модульного твердотельного реле с замыкающими и размыкающими контактами.
Внутри управляющего модуля 1 клемма 11 (Uпит) соединена с анодом выпрямительного диода 8 (VD1.1), катод которого соединен с эмиттером транзистора 10 (VT1.1) и анодом индикационного светодиода 3 (HL1.2), катод которого соединен с резистором 7 (R1.4). Транзистор 10 (VT1.1) соединен коллектором с клеммой 12 (Uнз), а базой - с первым выводом резистора 4(R1.1), который вторым выводом соединен с катодом диода Шоттки 9 (VD1.2) и с первым выводом резистора 6 (R1.3). Клемма 13 (Uвх) соединена с анодом диода Шоттки 9 (VD1.2), анодом индикационного светодиода 2 (HL1.1) и клеммой 14 (Uнo). Катод индикационного светодиода 2 (HL1.1) соединен с первым выводом резистора 5 (R1.2). Клемма 15 (GND) соединена со вторыми выводами резисторов 5 (R1.2), 6 (R1.3), 7 (R1.4).
Управляющий модуль 1 имеет три входа: клемма 11 (Uпит), клемма 15 (GND), клемма 13 (Uвх) и три выхода: клемма 12 (Uнз), клемма 14 (Uнo), клемма 15 (GND). С внешней стороны управляющий модуль 1 связан с источником питания (на чертеже не показан) - питающее напряжение подается на клеммы 11 (Uпит) и 15 (GND), с источником сигнала управления (на чертеже не показан) - напряжение управления подается на клемму 13 (Uвх), с шиной выходного сигнала, одновременно являющейся клеммой 12 (Uнз) - сигнал напряжения, обеспечивающий работу модулей размыкающего контакта; с шиной выходного сигнала, одновременно являющейся клеммой 14 (Uнo), -сигнал напряжения, обеспечивающий работу модулей замыкающего контакта; с шиной, одновременно являющейся клеммой 15 (GND), используемой для создания общего провода для всех модулей реле. Для обеспечения работы реле напряжение питания на клемме 11 (Uпит) и клемме 15 (GND) должно присутствовать постоянно. Наличие питающего напряжения подтверждается свечением индикационного светодиода 3 (HL1.2). Сигнал управления должен быть одинаковой с напряжением питания величины и должен иметь гальванически связанный с напряжением питания источник питания. Наличие сигнала управления подтверждается свечением индикационного светодиода 2 (HL1.1). Управляющий модуль 1 обеспечивает выходные сигналы на шину, одновременно являющуюся клеммой 12 (Uнз), и шину, одновременно являющуюся клеммой 14 (Uнo), на которых возникает напряжение, равное напряжению на клемме И (Uпит) и клемме 13 (Uвх) относительно клеммы 15 (GND) соответственно, в случаях, когда сигнал управления отсутствует или присутствует соответственно.
Модуль 16 замыкающего контакта, реализующий функцию замыкающего контакта, представляет собой электронное устройство, предназначенное для выполнения коммутации электрических цепей переменного тока промышленной частоты по принципу замыкающего контакта. Модуль 16 замыкающего контакта содержит силовой симистор 17(VS2.1), оптосимистор 18 (U2.1), резистор 19 (R2.1), резистор 20 (R2.2), резистор 21 (R2.3); клемму 12 (Uнз), клемму 14 (Uнo), клемму 15 (GND), клемму 22 (Вход), клемму 23 (Выход). Внутри модуля 16 замыкающего контакта клемма 12 (Uнз) не подключена.
Оптосимистор 18 (U2.1) соединен с клеммой 14 (Uнo), с первым выводом резистора 20 (R2.2), с первым выводом резистора 19 (R2.1), с первым выводом резистора 21 (R2.3) и с управляющим электродом силового симистора 17 (VS2.1). Клемма 15 (GND) соединена со вторым выводом резистора 20 (R2.2). Силовой симистор 17 (VS2.1) соединен одним катодом со вторым выводом резистора 21 (R2.3) и клеммой 23 (Выход), а другим катодом - со вторым выводом резистора 19 (R2.1) и клеммой 22 (Вход).
С внешней стороны модуль 16 замыкающего контакта связан с управляющим модулем 1 через шины выходных сигналов управляющего модуля 1: шину, одновременно являющуюся клеммой 14 (Uнo), и шину, одновременно являющуюся клеммой 15 (GND) а также с коммутируемой электрической цепью через клеммы 22 (Вход), 23 (Выход). Таким образом, оптосимитор 18 (U2.1) активен только при наличии сигнала на шине одновременно являющейся клеммой 14 (Uнo), и, следовательно, в этом случае силовой симистор 17(VS2.1) открыт, и переменный ток свободно протекает между клеммой 22 (Вход) и клеммой 23 (Выход). При отсутствии сигнала на шине, одновременно являющейся клеммой 14 (Uнo), симистор 17 (VS2.1) закрыт, и электрический ток между клеммами 22 (Вход) и 23 (Выход) не протекает.
Модуль 24 размыкающего контакта, реализующий функцию размыкающего контакта, представляет собой электронное устройство, предназначенное для выполнения коммутации электрических цепей переменного тока промышленной частоты по принципу размыкающего контакта. Модуль 24 замыкающего контакта содержит силовой симистор 25 (VS3.1), оптосимистор 26 (U3.1), резистор 27 (R3.1), резистор 28 (R3.2), резистор 29 (R3.3); клемму 12 (Uнз), клемму 14 (Uнo), клемму 15 (GND), клемму 30 (Вход), клемму 31 (Выход). Внутри модуля 24 размыкающего контакта клемма 14 (Uнo) не подключена.
Оптосимистор 26 (U3.1) соединен с клеммой 12 (Uнз), с первым выводом резистора 28 (R3.2), с первым выводом резистора 27 (R3.1), с первым выводом резистора
29 (R3.3) и с управляющим электродом силового симистора 25 (VS3.1). Клемма 15 (GND) соединена со вторым выводом резистора 28 (R3.2). Силовой симистор 25 (VS3.1) соединен одним катодом со вторым выводом резистора 29 (R3.3) и клеммой 31 (Выход), а вторым катодом - со вторым выводом резистора 27 (R3.1) и клеммой 30 (Вход).
С внешней стороны модуль 24 размыкающего контакта связан с управляющим модулем 1 через шины выходных сигналов управляющего модуля 1: шину, одновременно являющуюся клеммой 12 (Uнз), и шину, одновременно являющуюся клеммой 15 (GND), а также с коммутируемой электрической цепью через клеммы 30 (Вход), 31 (Выход). Таким образом, оптосимитор 26 (U3.1) активен только при наличии сигнала на шине, одновременно являющейся клеммой 12 (Uнз), и, следовательно, в этом случае силовой симистор 25 (VS3.1) открыт, и переменный ток свободно протекает между клеммой
30 (Вход) и клеммой 31 (Выход). При отсутствии сигнала на шине, одновременно являющейся клеммой 12 (Uнз), симистор 25 (VS3.1) закрыт, и электрический ток между клеммами 30 (Вход) и 31 (Выход) не протекает.
Для соединения управляющего модуля 1 с модулем 16 замыкающего контакта или с модулем 24 размыкающего контакта, а также для соединения модулей 16 замыкающего контакта или модулей 24 замыкающего контакта между собой применяются контактные перемычки 32 в количестве трех штук на каждую пару модулей, которые установлены между шинами, одновременно являющимися клеммами 12 (Uнз), между шинами, одновременно являющимися клеммами 14 (Uнo), между шинами, одновременно являющимися клеммами 15 (GND) на двух соседних модулях.
Твердотельное реле с замыкающими и размыкающими контактами в сборе образовано компактными модулями шириной 35 миллиметров, высотой 22 миллиметра и длиной 85 миллиметров каждый.
Управляющий модуль 1 имеет три входа, представленных клеммой 11 (Uпит), клеммой 13 (Uвх), клеммой 15 (GND) и три выхода, представленных шиной, одновременно являющейся клеммой 12 (Uнз), шиной, одновременно являющейся клеммой 14 (Uнo) и шиной, одновременно являющейся клеммой 15 (GND). При этом в управляющем модуле 1 реализованы: один комплект входов в верхней части модуля и два комплекта выходов: в нижней части модуля и в правой его части.
Модуль 16 замыкающего контакта или модуль 24 размыкающего контакта в цепи управления, представленной шиной, одновременно являющейся клеммой 14 (Uнo), шиной, одновременно являющейся клеммой 12 (Uнз), шиной, одновременно являющейся клеммой 15 (GND), и оптосимистором 18 (U2.1) для модуля 16 замыкающего контакта или оптосимистором 26 (U3.1) для модуля 24 размыкающего контакта имеет три входа, представленных шиной, одновременно являющейся клеммой 12 (Uнз), шиной, одновременно являющейся клеммой 14 (Uнo), и шиной, одновременно являющейся клеммой 15 (GND) и три выхода, представленных шиной, одновременно являющейся клеммой 12 (Uнз), шиной, одновременно являющейся клеммой 14 (Uнo), и шиной, одновременно являющейся клеммой 15 (GND), причем входы с выходами имеют непосредственную связь внутри модуля. Модуль 16 замыкающего контакта в силовой цепи, представленной силовым симистором 17(VS2.1) имеет две клеммы: 22 (Вход) и 23 (Выход), предназначенные для подключения коммутируемой цепи переменного тока. Модуль 24 размыкающего контакта в силовой цепи, представленной силовым симистором 25 (VS3.1) имеет две клеммы 30 (Вход) и 31 (Выход), предназначенные для подключения коммутируемой цепи переменного тока. Соединение управляющего модуля 1 с модулями 16 замыкающего контакта и модулями 24 размыкающего контакта, а также соединение модулей 16 замыкающего контакта и модулей 24 размыкающего контакта между собой происходит посредством стыкования по длинной стороне модулей, и установки контактных перемычек 32 между одноименными клеммами, как показано на фиг.8.
Гальваническая развязка между силовой цепью и цепью управления в модуле 16 замыкающего контакта выполнена за счет применения оптосимистора 18 (U2.1), а гальваническая развязка между силовой цепью и цепью управления в модуле 24 размыкающего контакта выполнена за счет применения оптосимистора 26 (U3.1). Гальваническая развязка между силовыми цепями модулей 16 замыкающего контакта и модулей 24 размыкающего контакта выполнена за счет того, что данные модули являются самостоятельными элементами и их силовые цепи не имеют электрической связи между собой.
Модульное твердотельное реле с наличием замыкающих и размыкающих контактов работает следующим образом. В нормальном режиме подано питание на клемму 11 (Uпит) и клемму 15 (GND) управляющего модуля 1. Сигнал управления на клемме 13 (Uвх) отсутствует. В этом случае горит индикационный светодиод 3 (HL1.2). Транзистор 10 (VT1.1) управляющего модуля 1, работающий в ключевом режиме, находится в открытом состоянии за счет протекания тока по цепи: клемма 11 (Uпит) -выпрямительный диод 8 (VD1.1) - коллектор транзистора 10 (VT1.1) - база транзистора 10 (VT1.1) - резистор 4 (R1.1) - резистор 6 (R1.3) - клемма 15 (GND), при этом на шине, одновременно являющейся клеммой 12 (Uнз), присутствует напряжение, равное напряжению на клемме 11 (Uпит). При этом n модулей 16 замыкающего контакта находятся в разомкнутом состоянии, a m модулей 24 размыкающего контакта находятся в замкнутом состоянии. Сигнал на шине, одновременно являющейся клеммой 14 (Uно), отсутствует по причине отсутствия такового на клемме 13 (Uвх) и по причине запертого состояния диода Шоттки 9(VD1.2). Описанное выше состояние твердотельного реле является стабильным и может продолжаться неограниченное время. При подаче управляющего сигнала на клемму 13 (Uвх) загорается индикационный светодиод 2 (HL1.1), свидетельствующий о включенном состоянии модульного твердотельного реле с замыкающими и размыкающими контактами. При этом запирается транзистор 10 (VT1.1) управляющего модуля 1 по причине появления на базе транзистора 10 (VT1.1) напряжения, большего по величине, чем напряжение на коллекторе данного транзистора. Исчезает напряжение на шине, одновременно являющейся клеммой 12 (Uнз), и появляется напряжение на шине, одновременно являющейся клеммой 14 (Uнo), напрямую подключенной к клемме 13 (Uвх). При этом n модулей 16 замыкающего контакта находятся в замкнутом состоянии, a m модулей 24 размыкающего контакта находятся в разомкнутом состоянии. Описанное выше состояние твердотельного реле также является стабильным и также может продолжаться неограниченное время.
Модульное твердотельное реле с замыкающими и размыкающими контактами может работать в составе систем управления, автоматики и сигнализации, причем число одновременно коммутируемых независимых цепей не ограничено и равно количеству модулей контакта. Собственное потребление полупроводниковых элементов: транзисторов, светодиодов, оптосимисторов, входящих в состав твердотельного реле, зависит от числа подключенных модулей и лежит в следующих пределах: при одном подключенном модуле 16 замыкающего контакта или модуле 24 размыкающего контакта ток собственного потребления составляет 10 мА, а при десяти подключенных модулях 16 замыкающего контакта или модулях 24 размыкающего контакта ток собственного потребления составляет 60 мА. Данные значения справедливы при условии, что электропитание производится от источника постоянного напряжения 5 В.
Таким образом, предлагаемое твердотельное реле с замыкающими и размыкающими контактами позволяет коммутировать необходимое число различных цепей переменного тока промышленной частоты одновременно, при этом число коммутируемых цепей равно числу используемых модулей контакта. Кроме того, твердотельное реле конструктивно состоит из модулей, позволяющих составить конструкцию с требуемыми параметрами.
Эффективность применения предлагаемого реле заключается в построении на базе единого управляющего модуля индивидуального твердотельного реле с требуемым количеством и типом контактов, например, три модуля контакта с замыкающим контактом на 10 А переменного тока и один модуль контакта на 0,5 А переменного тока, что экономически более целесообразно, чем использование двух твердотельных реле на разные токи или одного многополюсного твердотельного реле с завышенными параметрами. За счет применения симисторов с изолированной площадкой для подключения к охладителю модули могут быть размещены на едином охладителе.