Выключатель постоянного тока (варианты)

 

Использование: для коммутации цепей постоянного тока. Технический результат заключается в увеличении скорости выключения и снижении коммутационных перенапряжений. Выключатель постоянного тока содержит первый и второй контакторы, датчик напряжения, обратновключенный диод, конденсатор и первый резистор. В него введены первый и второй электронные ключи, второй диод, второй резистор и датчик тока, а командное устройство снабжено первым и вторым дополнительными выходами и двумя управляющими входами, соединенными соответственно с управляющими входами электронных ключей и с выходами датчика тока и напряжения и обеспечивает рабочий режим питания нагрузки, при котором оба контактора и первый электронный ключ включены, и режим выключения питания нагрузки, при котором включается второй электронный ключ и первый контактор, а затем выключаются второй электронный ключ и второй контактор. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к выключателям постоянного тока, и может быть использовано для коммутации цепей постоянного тока на подвижном составе железнодорожного транспорта.

Известен быстродействующий выключатель, содержащий электромагнит, неподвижный и подвижные контакты, катушку, тягу, якори электромагнита, пружины, рычаг с защелкой, зацеп, дополнительный рычаг с валиком, упоры, привод, короткозамкнутые кольца (см. патент РФ 1725282, кл. Н 01 Н 75/02 от 13.07.89 г. ).

Однако известное устройство не может обеспечить достаточно высокое быстродействие при коммутации в цепях питания транспортного электрооборудования.

По технической сущности наиболее близким к заявляемому изобретению является выключатель постоянного тока, содержащий первый и второй контакторы, первые силовые контакты которых объединены, а управляющие входы подключены к первому и второму выходам командного устройства, первый диод, который одним выводом обратно подключен к первой шине источника питания и первому зажиму нагрузки, к которым подключен первый вывод датчика напряжения, конденсатор и первый резистор, первые выводы которых объединены (см. журнал Электротехника 11, 1998 г. , стр. 41, 42, статья В. П. Иванова и др. "Применение вакуумных выключателей для коммутации цепей постоянного и переменного тока на подвижном составе железнодорожного транспорта").

Однако и это известное устройство не может обеспечивать достаточную скорость выключения, а при его коммутации возникают значительные коммутационные перенапряжения, так как после сигнала на отключение нагрузки коммутация происходит лишь при размыкании мощного контактора, имеющего значительную инерционность.

Техническим результатом является увеличение скорости выключения и снижение коммутационных перенапряжений.

Для этого в выключатель постоянного тока, содержащий первый и второй контакторы, первые силовые контакты которых объединены, а управляющие входы подключены к первому и второму выходам командного устройства, первый диод, который одним выводом обратно подключен к первой шине источника питания и первому зажиму нагрузки, к которым подключен первый вывод датчика напряжения, конденсатор и первый резистор, первые выводы которых объединены, согласно изобретению введены первый и второй электронные ключи, второй диод, второй резистор и датчик тока, а командное устройство снабжено первым и вторым дополнительными выходами, соединенными с управляющими входами вышеуказанных электронных ключей, и двумя управляющими входами, первый из которых подключен к выходу датчика напряжения, второй к выходу датчика тока, включенного между второй шиной источника питания и объединенными первыми силовыми выводами первого и второго контакторов, второй силовой контакт первого из которых соединен со вторым выводом датчика напряжения и через первый электронный ключ подключен ко второму зажиму нагрузки и второму выводу первого диода, второй силовой контакт второго контактора соединен со вторым выводом первого резистора, второй вывод которого через второй электронный ключ соединен со вторым зажимом нагрузки, к которому одним выводом обратно включен второй диод, второй вывод которого соединен со вторым выводом конденсатора и через второй резистор подключен к первой шине источника питания.

Согласно второму варианту изобретения в выключатель постоянного тока, содержащий первый и второй контакторы, первые силовые контакты которых объединены, а управляющие входы подключены к первому и второму выходам командного устройства, первый диод, который одним выводом обратно подключен к первой шине источника питания и первому зажиму нагрузки, к которым подключен первый вывод датчика напряжения, конденсатор и резистор, первые выводы которых объединены, согласно изобретению введены первый и второй электронные ключи, второй диод и датчик тока, а командное устройство снабжено первым и вторым дополнительными выходами, соединенными с управляющими входами вышеуказанных электронных ключей, и двумя управляющими входами, первый из которых подключен к выходу датчика напряжения, второй - к выходу датчика тока, включенного между второй шиной источника питания и объединенными первыми силовыми выводами первого и второго контакторов, второй силовой контакт первого из которых соединен со вторым выводом датчика напряжения и через первый электронный ключ подключен ко второму зажиму нагрузки и второму выводу первого диода, второй силовой контакт второго контактора соединен со вторым выводом первого резистора, второй вывод которого через второй электронный ключ соединен с первым зажимом нагрузки, к которому одним выводом обратно включен второй диод, второй вывод которого соединен со вторым выводом конденсатора.

Кроме того, датчик напряжения может быть выполнен в виде резистивного делителя напряжения, а каждый электронный ключ зашунтирован соответствующим нелинейным резистором.

Сущность изобретения заключается в том, что введение вышеописанных элементов и соответствующее их соединение позволили увеличить скорость выключения, так как коммутация при выключении обеспечивается срабатыванием быстродействующего электронного ключа.

Сравнение заявляемого изобретения с ближайшим аналогом позволяет утверждать о соответствии критерию "новизна", а отсутствие в аналогах отличительных признаков говорит о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Предварительные испытания подтвердили возможность широкого промышленного использования.

На фиг. 1 и 2 представлены принципиальные электрические схемы первого и второго вариантов предложенного изобретения, а на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема командного устройства.

Выключатель постоянного тока (фиг. 1) содержит первый и второй контакторы 1 и 2, соответственно, первые силовые контакты которых объединены, а управляющие входы подключены к первому и второму выходам 3 и 4 командного устройства 5, имеющего первый и второй дополнительные выходы 6 и 7, и два управляющих входа 8 и 9, первый из которых подключен к выходу датчика 10 напряжения, второй - к выходу датчика 11 тока, выполненного, например, в виде датчика Холла.

Кроме того, выключатель содержит первый и второй диоды 12 и 13, первый и второй резисторы 14 и 15, первый и второй электронные ключи 16 и 17, которые могут быть зашунтированы первым и вторым нелинейными резисторами 18 и 19, конденсатор 20, первую и вторую шины 21 и 22 источника питания и первые и вторые зажимы 23 и 24 нагрузки, соответственно.

Первый диод 12 обратно включен между первым и вторым зажимами 23 и 24 нагрузки, первый из которых объединен с первой шиной 21 источника питания, которая является общей шиной и к которой подключен первый вывод датчика 10 напряжения, второй вывод которого подключен ко второму силовому контакту первого контактора и через первый электронный ключ 16 - ко второму зажиму 24 нагрузки. Первые выводы первого резистора 14 и конденсатора 20 объединены и через второй электронный ключ 9 подключены ко второму зажиму 24 нагрузки. Второй силовой контакт второго контактора 2 соединен со вторым выводом первого резистора 14, а его второй силовой контакт через датчик 11 тока подключен ко второй шине 22 источника питания. Второй вывод конденсатора 20 через второй резистор 15 подключен к первой шине 21 источника питания и через обратновключенный второй диод 13 соединен со вторым зажимом 24 нагрузки.

Датчик 10 напряжения может быть выполнен в виде резистивного делителя напряжения, крайние выводы которого являются первым и вторым выводами датчика напряжения, а средний вывод его выходом.

Каждый электронный ключ 16 и 17 может быть выполнен в виде запираемого тиристора.

Выключатель постоянного тока (фиг. 2) содержит идентичные элементы и связи с первым вариантом заявляемого изобретения, кроме использования второго резистора 15.

Особенностью второго варианта изобретения является подключение второго диода и второго электронного ключа не ко второму, а к первому зажиму нагрузки.

Командное устройство 5 (фиг. 3) содержит первый и второй формирователи 25 и 26, соответственно, в качестве каждого из которых может быть использован одновибратор, элемент ИЛИ 27, первый, второй и третий компараторы 28, 29 и 30, первый, второй, третий и четвертый триггеры 31-34, две линии 35, 36 задержки и две кнопки 37 и 38 на замыкание.

Каждый из компараторов имеет на выходе по формирователю, выполненному по типу одновибратора (на фиг. 3 не показаны).

Командное устройство может быть выполнено и по другой схеме.

В исходном состоянии отсутствуют входные и выходные сигналы командного устройства 5, то есть его триггеры 31, 32, 33, 34 находятся в "нулевом" состоянии, соответственно выключены контакторы 1, 2 и электронные ключи 16, 17.

Для перехода на рабочий режим питания нагрузки в командном устройстве 5 включается кнопка 37, через которую от вспомогательного источника питания (например, +5 В, на чертежах не показан) на формирователь 25 подается сигнал, с выхода которого поступает на триггер 32 (переводя его из "нулевого" в "единичное" состояние), и далее поступает с выхода 4 командного устройства 5 на управляющий вход контактора 2, после чего замыкаются его силовые контакты. Далее через заданное время, определяемое линией 35 задержки, сигнал с выхода формирователя 25 через линию 35 задержки и через триггер 31 (переводя его из "нулевого" в "единичное" состояние) проходит на выход 3 командного устройства 5, включая затем контактор 1 (обеспечивая замыкание его силовых контактов). После этого через время, определяемое линией 36 задержки, сигнал с выхода линии 35 задержки через триггер 33 (переводя его из "нулевого" и "единичное" состояние) проходит на выход 6 командного устройства 5, включая затем электронный ключ 16. Выход 7 командного устройства 5 остается в "нулевом" состоянии, так как на вход установки "1" (вход S) соответствующего триггера 34 сигнал не был подан.

В результате описанных действий обеспечивается подача питания от шины 22 источника питания на зажим 24 нагрузки, то есть режим питания нагрузки обеспечен. В этом режиме оба контактора 1 и 2 остаются замкнутыми, электронный ключ 16 включен, а электронный ключ 17 выключен, что обеспечивается сохранением соответствующих сигналов на выходах 3, 4, 6, 7 командного устройства 5. При этом конденсатор 20 заряжен до напряжения, близкого к напряжению источника питания. В первом варианте устройства заряд конденсатора 20 производится по цепи от шины 22 источника питания через контактор 2, резистор 14 и резистор 15 к шине 21 источника питания. Во втором варианте устройства заряд конденсатора 20 производится по цепи от шины 22 источника питания через контактор 2, резистор 14, диод 13 к шине 21 источника питания.

Переход на режим выключения питания нагрузки производится по сигналам с выходов командного устройства 5 либо после включения кнопки 38 командного устройства, либо по сигналу датчика 11 тока (например, датчика Холла).

В обоих случаях командное устройство 5 обеспечивает перевод в "нулевое" состояние триггеров 31, 33 и в "единичное" состояние триггера 34. Это достигается подачей сигнала либо от вспомогательного источника питания через кнопку 38 на формирователь 26 и далее через элемент ИЛИ 27 на входы установки "0" (входы R) триггеров 31, 33 и на вход установки "1" (вход S) триггера 34 либо (в случае срабатывания датчика 11 тока) через управляющий вход 9 на компаратор 28 и далее через элемент ИЛИ 27 и так далее, как описано выше. В результате этих действий через выходы 3, 6 и 7 одновременно подаются сигналы на выключение первого электронного ключа 16, выключение первого контактора 1 и на включение второго электронного ключа 17, соответственно.

Первым по времени включается электронный ключ 17, вслед за которым выключается электронный ключ 16. Ток источника питания переключается из цепи контактора 1 в цепь контактора 2. Величина резистора 14 выбрана такой, что при наибольшем выключаемом токе нагрузки (например, токе короткого замыкания) напряжение на резисторе 14, а следовательно, и на запертом электронном ключе 16, равно максимальному напряжению источника питания, которое и является рабочим напряжением электронного ключа 16. После этого ток от источника питания либо снижается, либо остается прежним.

Далее с некоторой задержкой, определяемой временем выключения контактора 1, размыкаются его контакты. После этого снижается напряжение на делителе датчика 10 напряжения и соответствующий сигнал от него через управляющий вход 8 подается на компаратор 29, по сигналу с выхода которого триггер 34 переводится в "нулевое" состояние, что обеспечивает выключение электронного ключа 17. Ток источника питания продолжает или начинает снижаться до нуля, при этом продолжается дозаряд конденсатора 20 по цепи от шины 22 источника питания через контактор 2, резистор 14, диод 13 к зажиму 24 нагрузки (по первому варианту устройства) или по цепи от шины 22 источника питания через контактор 2, резистор 14, диод 13 к шине 21 источника питания (по второму варианту устройства). При этом перенапряжение на электронном ключе 17 определяется величиной энергии, запасенной в индуктивности цепи источника питания, и величинами сопротивления резистора 14 и емкости конденсатора 20. Ток, запасенный в индуктивности нагрузки, замыкается через диод 12.

Для повышения надежности устройства оба электронных ключа 16, 17 могут быть зашунтированы соответствующими нелинейными резисторами 18, 19 (варисторами). Работа этих нелинейных резисторов состоит в том, что их сопротивление уменьшается при повышении напряжения на их выводах (то есть на силовых выводах электронных ключей 16, 17), благодаря чему обеспечивается ограничение напряжения на этих ключах, то есть снижается опасность перенапряжения на них.

После спадания до нуля тока источника питания по сигналу от датчика 11 тока срабатывает компаратор 30, который устанавливает триггер 32 в "нулевое" состояние, обеспечивая на выходе 4 командного устройства 5 сигнал выключения контактора 2, в результате чего достигается гальваническая развязка источника питания с нагрузкой и элементами выключателя.

Как видно из описания процесса выключения, все четыре триггера 31, 32, 33, 34 оказываются переведенными в "нулевое" состояние, то есть выключатель в целом и его командное устройство 5 в частности переведены в исходное состояние.

Таким образом, в предложенных вариантах изобретения обеспечиваются увеличение скорости выключения и снижение коммутационных перенапряжений.

Формула изобретения

1. Выключатель постоянного тока, содержащий первый и второй контакторы, первые силовые контакты которых объединены, а управляющие входы подключены к первому и второму выходам командного устройства, первый диод, который одним выводом подключен к первой шине источника питания и к первому зажиму нагрузки, к которым подключен первый вывод датчика напряжения, конденсатор и первый резистор, первые выводы которых объединены, отличающийся тем, что введены первый и второй электронные ключи, второй диод, второй резистор и датчик тока, а командное устройство снабжено первым и вторым дополнительными выходами, соединенными с управляющими входами вышеуказанных электронных ключей, и двумя управляющими входами, первый из которых подключен к выходу датчика напряжения, второй - к выходу датчика тока, включенного между второй шиной источника питания и объединенными первыми силовыми выводами первого и второго контакторов, второй силовой контакт первого из которых соединен со вторым выводом датчика напряжения и через первый электронный ключ подключен ко второму зажиму нагрузки и второму выводу первого диода, второй силовой контакт второго контактора соединен со вторым выводом первого резистора, второй вывод которого через второй электронный ключ соединен со вторым зажимом нагрузки, к которому одним выводом включен второй диод, второй вывод которого соединен со вторым выводом конденсатора и через второй резистор подключен к первой шине источника питания, причем выполнение командного устройства обеспечивает рабочий режим питания нагрузки, при котором оба контактора и первый электронный ключ включены, и режим выключения питания нагрузки, при котором включается второй электронный ключ, выключаются первый электронный ключ и первый контактор, а затем выключаются второй электронный ключ и второй контактор.

2. Выключатель постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что датчик напряжения выполнен в виде резистивного делителя напряжения.

3. Выключатель постоянного тока по п. 1, отличающийся тем, что каждый электронный ключ зашунтирован соответствующим нелинейным резистором.

4. Выключатель постоянного тока, содержащий первый и второй контакторы, первые силовые контакты которых объединены, а управляющие входы подключены к первому и второму выходам командного устройства, первый диод, который одним выводом подключен к первой шине источника питания и первому зажиму нагрузки, к которым подключен первый вывод датчика напряжения, конденсатор и резистор, первые выводы которых объединены, отличающийся тем, что введены первый и второй электронные ключи, второй диод и датчик тока, а командное устройство снабжено первым и вторым дополнительными выходами, соединенными с управляющими входами вышеуказанных электронных ключей, и двумя управляющими входами, первый из которых подключен к выходу датчика напряжения, второй - к выходу датчика тока, включенного между второй шиной источника питания и объединенными первыми силовыми выводами первого и второго контакторов, второй силовой контакт первого из которых соединен со вторым выводом датчика напряжения и через первый электронный ключ подключен ко второму зажиму нагрузки и второму выводу первого диода, второй силовой контакт второго контактора соединен со вторым выводом первого резистора, второй вывод которого через второй электронный ключ соединен с первым зажимом нагрузки, к которому одним выводом включен второй диод, второй вывод которого соединен со вторым выводом конденсатора, причем выполнение командного устройства обеспечивает рабочий режим питания нагрузки, при котором оба контактора и первый электронный ключ включены, и режим выключения питания нагрузки, при котором включается второй электронный ключ, выключаются первый электронный ключ и первый контактор, а затем выключаются второй электронный ключ и второй контактор.

5. Выключатель постоянного тока по п. 4, отличающийся тем, что датчик напряжения выполнен в виде резистивного делителя напряжения.

6. Выключатель постоянного тока по п. 4, отличающийся тем, что каждый электронный ключ зашунтирован соответствующим нелинейным резистором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3