Дистанционное переключающее устройство

 

Изобретение относится к технике систем автоматического управления, в частности к управляющим и исполнительным механизмам, и может быть использовано в системах регулирования и управления (с жесткими требованиями к массогабаритным характеристикам) объектами, находящимися в "горячей зоне", не доступной для размещения активных электронных элементов системы. Целью изобретения является повышение надежности функционирования дистанционного переключающего устройства. Устройство содержит ключевой элемент 1, первый силовой вывод которого соединен с питающей шиной 2, а управляющий вывод - с шиной управления, первую обмотку 3 исполнительного механизма, присоединенную первым выводом через протяженную линию 4 связи к второму силовому выводу ключевого элемента 1, вторую обмотку 5 исполнительного механизма с подключенным последовательно с ней первым диодом 6, включенным встречно по отношению к питающему напряжению, второй диод 7, включенный между питающей шиной 2 и землей встречно по отношению к питающему напряжению, конденсаторы 8,9, один из которых включен параллельно второй обмотке 5 исполнительного механизма, цепочку, подключенную параллельно первой обмотке 3, из последовательно соединенных второго конденсатора 9, резистора 10, зашунтированных встречно включенными относительно напряжения питания соответственно диодами 11 и 12, и диода 13, включенного согласно напряжению питания, причем вторая обмотка 5 исполнительного механизма с первым конденсатором 8 и первым диодом 6 подключены параллельно диоду 13. 1 ил.

Изобретение относится к технике систем автоматического управления, в частности к управляющим и исполнительным механизмам, и может быть использовано в системах регулирования и управления (с жесткими требованиями к массогабаритным характеристикам) объектами, находящимися в "горячей зоне", не доступной для размещения активных электронных элементов системы.

Известно дистанционное переключающее устройство, содержащее ключевой элемент, первый силовой вывод которого соединен с питающей шиной, а управляющий вывод - с шиной управления, первую обмотку исполнительного механизма, присоединенную первым выводом через протяженную линию связи к второму силовому выводу ключевого элемента, вторую обмотку исполнительного механизма, подключенную параллельно к первой обмотке через первый диод, включенный встречно по отношению к питающему напряжению, второй диод, конденсатор, включенный параллельно второй обмотке исполнительного механизма, причем второй диод включен между питающей шиной и землей встречно по отношению к питающему напряжению, второй вывод первой обмотки исполнительного механизма соединен с землей. Это дистанционное переключающее устройство включается при открывании ключевого элемента, при этом возбуждается первая обмотка исполнительного механизма (включения), а конденсатор и вторая обмотка исполнительного механизма (выключения) в этом процессе не участвуют из-за запертого первого диода. Выключение происходит при запирании ключевого элемента, при этом энергия магнитного поля, существующего в первой обмотке за счет протекавшего через нее тока возбуждения, передается конденсатору в процессе его заряда током самоиндукции первой обмотки через открывающийся первый диод. После этого энергия конденсатора передается второй обмотке (выключения) путем его разряда через вторую обмотку, так как первый диод в этот период заперт и частично расходуется на механическую работу по выключению исполнительного механизма, частично возвращается в конденсатор (он перезаряжается). Затем конденсатор снова перезаряжается через обе обмотки, так как на второй диод открыт в этот период, причем еще меньшая доля (возможно нулевая) энергии, попавшей во вторую обмотку, расходуется на выключение исполнительного механизма, так как определенная часть ее идет на преодоление действия первой обмотки, возбужденной частью тока разряда конденсатора и стремящейся включить или сохранить включенное состояние исполнительного механизма. В дальнейшем первый диод снова запирается и рассмотренный колебательный процесс продолжается до полного исчерпания энергии, полученной конденсатором из первой обмотки исполнительного механизма.

Одним из недостатков устройства является неэффективное использование энергии для выключения исполнительного механизма. Но основным недостатком является тот факт, что величина энергии, запасенной в магнитном поле первой обмотки (включения) при заданном токе возбуждения (с учетом возможного, например, аварийного снижения напряжения питания), при котором необходимо обеспечить возможность отключения исполнительного механизма, зависит от конструкции первой обмотки. Конструкция этой обмотки зачастую определяется требованием к быстродействию включения.

Таким образом, неразрешимое противоречие между требованием к конструкции обмотки (выключения) по быстродействию включения (уменьшение индуктивности) и обеспечением минимального тока возбуждения первой обмотки, при котором возможно отключение исполнительного механизма - увеличение энергии магнитного поля обмотки (увеличение индуктивности), не позволяет обеспечить необходимую надежность отключения, т. е. функционирования, при высоких требованиях к быстродействию включения.

Целью изобретения является повышение надежности функционирования дистанционного переключающего устройства.

Цель достигается тем, что в дистанционном переключающем устройстве параллельно с первой обмоткой исполнительного механизма включена цепочка, состоящая из последовательно соединенных второго конденсатора, резистора, зашунтированных встречно включенными относительно напряжения питания соответственно третьим и четвертым диодами, и пятого диода, включенного согласно напряжению питания, причем вторая обмотка исполнительного механизма с первым конденсатором и первым диодом подключены параллельно пятому диоду.

Перечисленные выше новые признаки в данном устройстве являются существенными, так как они достаточны для того, чтобы отличить данное устройство от всех известных устройств. При наличии таких признаков в данном дистанционном переключающем устройстве получают положительный эффект, а именно повышение надежности функционирования устройства.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Дистанционное переключающее устройство содержит ключевой элемент 1, первый силовой вывод которого соединен с питающей шиной 2, а управляющий вывод - с шиной управления, первую обмотку 3 исполнительного механизма, присоединенную первым выводом через протяженную линию 4 связи к второму силовому выводу ключевого элемента 1, вторую обмотку 5 исполнительного механизма с подключенным последовательно к ней первым диодом 6, включенным встречно по отношению к питающему напряжению, второй диод 7, включенный между питающей шиной 2 и землей встречно по отношению к питающему напряжению, конденсатор 8, включенный параллельно второй обмотке 5 исполнительного механизма, цепочку, подключенную параллельно первой обмотке 3 и состоящую из последовательно соединенных второго конденсатора 9, резистора 10, зашунтированных встречно включенными относительно напряжения питания соответственно диодами 11 и 12 и диода 13, включенного согласно напряжению питания, причем вторая обмотка 5 исполнительного механизма с первым конденсатором 8 и первым диодом 6 подключены параллельно пятому диоду 13.

Устройство работает следующим образом.

При включении открывается ключевой элемент 1 и первая обмотка 3 исполнительного механизма (обмотка включения) запитывается. Одновременно заряжается конденсатор 9, так как диод 11 запирается (включен встречно относительно напряжения источника питания). Он заряжается до напряжения питания (за вычетом падения напряжения на открытом ключе) через резистор 10, так как диод 12 заперт (он включен также встречно напряжению питания), и открытый диод 13, который включен согласно напряжению питания, при этом диод 6 заперт, а следовательно, вторая обмотка 5 исполнительного механизма (обмотка выключения) и конденсатор 8 в процессе включения не участвует. Так как резистор 10 выбирается несоизмеримо больше суммы сопротивлений открытого ключа и внутреннего сопротивления источника, то процесс заряда конденсатора 9 не влияет на процесс нарастания тока через обмотку 3, а следовательно, на время включения.

При отключении ключевой элемент 1 запирается, в обмотке 3 возникает стремящаяся поддержать прежнее значение тока через обмотку ЭДС самоиндукции, причем ее направление для параллельной цепочки из конденсатора 9, резистора 10 и диодов 11, 12, 13 противоположно направлению напряжения источника питания, не действующего на эту цепочку после запирания ключа 1. В результате диод 13 запирается, диоды 12 и 6 отпираются, а диод 11 остается запертым под действием напряжения на конденсаторе 9. Напряжение на нем оказывается действующим последовательно с ЭДС самоиндукции. Ток самоиндукции разряда конденсатора 9, который в данном случае определяется не только энергией, запасенной в магнитном поле обмотки 3, но и энергией, запасенной в электрическом поле конденсатора 9, замыкается через открытые диоды 12 и 6. При этом конденсатор 8 заряжается, а конденсатор 9 перезаряжается (резистор 10 не участвует в процессе, так как зашунтирован открытым диодом 12). Током через обмотку 5 по сравнению с током заряда конденсатора 8 можно пренебречь из-за ее индуктивности, в связи с чем ток заряда конденсатора 8 изменяется по косинусоиде с периодом, определяемым колебательным контуром, состоящим из индуктивности обмотки 3 и емкости последовательно включенных конденсаторов 8 и 9. В момент перехода напряжения на конденсаторе 9 через ноль, т.е. когда вся энергия конденсатора 9 отдана, открывается диод 11 и ток самоиндукции (ток заряда конденсатора 8), минуя конденсатор 9, замыкается через него и конденсатор 9 не участвует в дальнейшем процессе. При этом период косинусоиды тока заряда конденсатора 8 увеличивается, так как определяется контуром обмотка 3 - конденсатор 8. Когда ток самоиндукции обмотки 3 (ток заряда конденсатора 8) становится равным нулю, т.е. вся энергия магнитного поля обмотки 3 отдана, напряжение на конденсаторе 8 максимально, диод 6 закрывается и конденсатор 8 начинает разряжаться через обмотку 5. Ток через обмотку 5 изменяется по синусоиде, а напряжение на ней (на конденсаторе 8) - по косинусоиде, причем период их определяется колебательным контуром - индуктивностью обмотки 5 и емкостью конденсатора 8. С этого момента возникает механическое усилие, а затем начинает затрачиваться энергия магнитного поля на отключение исполнительного механизма. В момент перехода напряжения на конденсатор 8 через ноль, т.е. когда вся электрическая энергия, запасенная конденсатором 8, передана в магнитное поле обмотки 5 (ток через нее максимален), открываются диоды 6 и 13 и ток самоиндукции обмотки 5 замыкается через них. С этого момента процесс носит апериодический характер, энергия магнитного поля обмотки 5 расходуется только на механическую работу по отключению исполнительного механизма (кроме неизбежных потерь, обусловленных конструкцией обмотки 5 и конечным сопротивлением открытых диодов 13 и 6).

Данное дистанционное переключающее устройство способно отключаться под действием управляющего сигнала при более низком напряжении питания (например, при аварийном его снижении) нежели основное устройство при такой же надежности включения и удержания, как у него. Предлагаемое устройство отключается так же, как и устройство-прототип - по перепаду тока возбуждения обмотки включения, а не по его абсолютной величине. Таким образом, оно обеспечивает такую же надежность удержания за счет возможности задания практически любого минимального тока удержания, вплоть до нуля, как и в устройстве-прототипе.

Однако для отключения используется не только энергия магнитного поля обмотки 3 включения, которая определяется током возбуждения через нее, а следовательно, величиной напряжения питания в момент отключения, как в устройстве-прототипе, но и энергия электрического поля, накопленная введенным в устройство вторым конденсатором 9, причем в процессе отключения он только отдает накопленную энергию благодаря третьему диоду 11. Заряжается конденсатор 9 во время включения через введенный резистор 10, благодаря которому конденсатор 9 никак не влияет на параметры включения (по сравнению с основным устройством), и открытый диод 13. Для того, чтобы на резисторе 10 не рассеивалась энергия во время процесса отключения, он зашунтирован четвертым диодом 12. Благодаря включению второго диода 6, обмотки 5 и конденсатора 8 параллельно пятому диоду 13 энергия магнитного поля обмотки 3 и электрического поля второго конденсатора 9 полностью передается конденсатору 8 (за исключением неизбежных потерь на паразитных сопротивлениях передающих элементов), который полностью передает ее магнитному полю обмотки 5 исполнительного механизма. Эта энергия полностью затрачивается на механическую работу отключения исполнительного механизма (за исключением неизбежных потерь, обусловленных конструкцией обмотки 5 и конечным сопротивлением открытых диодов 6 и 13) в отличие от устройства-прототипа, где энергия лишь частично идет на механическую работу по выключению, а часть возвращается в конденсатор 8.

Таким образом, в предлагаемом устройстве не только используется большая энергия для выключения при той же мощности источника питания, но и используется эта энергия более эффективно, чем в устройстве-прототипе, что и обусловливает большую надежность функционирования за счет повышения надежности отключения при заданной (такой же, как и у устройства-прототипа) надежности включения и удержания.

Формула изобретения

ДИСТАНЦИОННОЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, содержащее ключевой элемент, первый силовой вывод которого соединен с питающей шиной, а управляющий вывод - с шиной управления, первую обмотку исполнительного механизма, присоединенную первым выводом через протяженную линию связи к второму силовому выводу ключевого элемента, вторую обмотку исполнительного механизма, подключенную к первому диоду, который включен встречно по отношению к питающему напряжению, второй диод, первый конденсатор, который включен параллельно второй обмотке исполнительного механизма, второй диод включен между питающей шиной и "землей" встречно по отношению к питающему напряжению, а второй вывод первой обмотки исполнительного механизма соединен с "землей", отличающееся тем, что, с целью повышения надежности функционирования, параллельно с первой обмоткой исполнительного механизма включена цепочка, состоящая из последовательно соединенных второго конденсатора, резистора, зашунтированных встречно включенными относительно напряжения питания соответственно третьим и четвертым диодами, и пятого диода, который включен согласно напряжению питания, причем вторая обмотка исполнительного механизма с первым конденсатором и первым диодом подключена параллельно пятому диоду.

РИСУНКИ

Рисунок 1