Устройство для бездуговой коммутации электрических цепей

Изобретение относится к коммутационной технике и предназначено для бездугового переключения двух нагрузок. Технический результат заключается в упрощении, повышении экономичности, быстродействия, надежности и расширении функциональных возможностей. Устройство для бездуговой коммутации электрических цепей содержит вывод для подключения источника питания, выпрямительный диодный мост, переключающую контактную группу, неподвижные замыкающий и размыкающий контакты которой соединены с выводами для подключения двух нагрузок и входами диодного моста, и первый управляемый полупроводниковый ключ, первый силовой вывод и управляющий электрод которого соединены с выходами диодного моста, а второй силовой вывод, образующий с управляющим электродом управляющий вход ключа, - с подвижным контактом переключающей контактной группы, второй силовой вывод первого ключа соединен с подвижным контактом переключающей контактной группы через управляющий вход дополнительно введенного второго управляемого полупроводникового ключа, образованный управляющим электродом и первым силовым выводом, при этом второй силовой вывод соединен с выводом для подключения источника питания. 1 з.п. ф-лы. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к коммутации электрических цепей, и предназначено для бездугового переключения двух нагрузок.

Известно устройство для бездуговой коммутации двух нагрузок [1], содержащее выводы для подключения источника питания, выводы для подключения нагрузок, переключающую контактную группу, два транзистора, подключенные коллектор-эмиттерными переходами параллельно замыкающему и размыкающему контактам переключающей группы, и две схемы управления транзисторами, каждая из которых выполнена на диоде, резисторе и размыкающем или замыкающем контактах. Недостатки устройства - сложность, обусловленная использованием двух силовых транзисторов и наличием обоих выводов для подключения источника питания, невысокая экономичность из-за постоянного потребления мощности схемами управления транзисторами, низкие быстродействие и надежность, вызванные медленным процессом отключения цепей нагрузок, заканчивающимся только после перелета подвижного контакта переключающей контактной группы с одного неподвижного контакта на другой, и пассивным запиранием транзисторов, а также узкие функциональные возможности, обусловленные невозможностью использования в цепях, не допускающих одновременное нахождение обеих нагрузок под напряжением источника питания в момент их переключения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по техническим средствам и достигаемому результату является устройство для бездуговой коммутации электрических цепей [2], содержащее выводы для подключения источника питания, управляемый полупроводниковый ключ, например транзистор, переключающую контактную группу, неподвижные замыкающий и размыкающий контакты которой соединены с выводами для подключения двух нагрузок, а подвижный контакт - с положительным выводом источника питания и эмиттером транзистора, база которого через резистор соединена с минусовым выводом источника питания, и четыре диода, включенные по схеме выпрямительного моста, входы которого подсоединены к выводам для подключения нагрузок, а выходы - к коллекторному переходу транзистора. Недостатки устройства - сложность, обусловленная наличием обоих выводов для подключения источника питания и необходимостью использования в коллекторной цепи транзистора силовых диодов, невысокая экономичность из-за постоянного потребления мощности цепью управления транзистором, низкие быстродействие и надежность, вызванные медленным процессом отключения цепей нагрузок, заканчивающимся только после перелета подвижного контакта переключающей контактной группы с одного неподвижного контакта на другой, и пассивным запиранием транзистора, а также узкие функциональные возможности, обусловленные невозможностью использования в цепях, не допускающих одновременное нахождение обеих нагрузок под напряжением источника питания в момент их переключения.

Технический результат предлагаемого изобретения - упрощение, повышение экономичности, быстродействия, надежности и расширение функциональных возможностей.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для бездуговой коммутации электрических цепей, содержащем вывод для подключения источника питания, выпрямительный диодный мост, переключающую контактную группу, неподвижные замыкающий и размыкающий контакты которой соединены с выводами для подключения двух нагрузок и входами диодного моста, и первый управляемый полупроводниковый ключ, первый силовой вывод и управляющий электрод которого соединены с выходами диодного моста, а второй силовой вывод, образующий с управляющим электродом управляющий вход ключа, - с подвижным контактом переключающей контактной группы, второй силовой вывод первого ключа соединен с подвижным контактом переключающей контактной группы через управляющий вход дополнительно введенного второго управляемого полупроводникового ключа, образованный управляющим электродом и первым силовым выводом, при этом второй силовой вывод соединен с выводом для подключения источника питания, а ключи выполнены нормально открытыми с противоположным типом проводимости.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря соединению второго силового вывода первого ключа с подвижным контактом переключающей контактной группы через управляющий вход дополнительно введенного второго нормально открытого ключа, имеющего тип проводимости, противоположный первому ключу, при подключении его первого силового вывода к подвижному контакту, а второго - к выводу для подключения источника питания, в устройстве достигается надежная быстродействующая бездуговая коммутация двух нагрузок одним вторым нормально открытым полупроводниковым ключом, включенным последовательно с контактами и управляемым непосредственно ими через маломощные выпрямительный диодный мост и первый ключ.

Достигнутое выполнение предлагаемого устройства на основе не требующего схемы отпирания нормально открытого второго полупроводникового ключа [3], соединенного последовательно с обоими - замыкающим и размыкающим - контактами переключающей контактной группы, и наличия электрической связи его управляющего электрода через первый ключ и диодный мост с неподвижными контактами позволяет:

- обеспечить надежное и эффективное, с расширенной областью безопасной работы (ОБР), запирание ключа типа “размыканием эмиттера” [4-7];

- исключить схему отпирания ключа и соответственно исключить потребление мощности управления, а также исключить второй вывод для подключения источника питания, через который осуществляется отпирание транзистора и, таким образом, упростить и повысить эффективность устройства;

- обеспечить быстрое отключение цепей нагрузок сразу же после размыкания контактов за счет приложения через маломощные диодный мост и первый ключ возникающего при размыкании контактов запирающего напряжения к управляющему входу ключа в отличие от медленного отключения цепей нагрузок у прототипа, осуществляемого только после перелета подвижного контакта переключающей контактной группы с одного неподвижного контакта на другой, и соответственно повысить быстродействие предлагаемого устройства и исключить недопустимое в ряде случаев одновременное нахождение обеих нагрузок под напряжением источника питания в момент их переключения и, таким образом, расширить функциональные возможности.

Известно выполнение бездуговых устройств с использованием в качестве управляемого полупроводникового ключа нормально открытого ключа, соединенного последовательно с контактами [8, 9]. Однако известные устройства предназначены для бездуговой коммутации только одной нагрузки и, естественно, они решают задачу защиты от дуги одной контактной группы. Поэтому в случае введения в известные устройства второй контактной группы для обеспечения бездугового переключения двух нагрузок потребуется и введение второго силового полупроводникового ключа, в то время как в заявляемом устройстве используется всего один силовой полупроводниковый ключ.

На фиг.1 и 2 представлены варианты предложенного устройства для бездуговой коммутации цепей при использовании в качестве второго управляемого полупроводникового ключа соответственно нормально открытого n-канального тиристора со статической индукцией SITh [10-12] и нормально открытого n-канального транзистора со статической индукцией SIT-транзистора [13], а в качестве первого управляемого ключа соответственно нормально открытого р-канального полевого JFET-транзистора и р-n-р биполярного BJT-транзистора с подключенным к коллекторному переходу для обеспечения нормально открытого состояния ключа резистором, где приняты следующие обозначения:

1 - вывод для подключения источника питания;

2 - выпрямительный диодный мост;

3 - переключающая контактная группа;

4, 5 - вывода для подключения нагрузок;

6 - первый управляемый полупроводниковый ключ;

7 - второй управляемый полупроводниковый ключ;

8 - пороговый элемент;

9, 10 - резисторы;

11, 12 - нагрузки.

Устройство для бездуговой коммутации электрических цепей содержит вывод для подключения источника питания 1, выпрямительный диодный мост 2, переключающую контактную группу 3, неподвижные замыкающий и размыкающий контакты которой соединены с выводами 4, 5 для подключения нагрузок и входами диодного моста, первый нормально открытый ключ 6, сток (коллектор) и затвор (база) которого соединены с выходами диодного моста, второй нормально открытый ключ 7 и пороговый элемент 8, в качестве которого используется стабилитрон. Пороговый элемент обеспечивает надежное запирание ключа 6 в статических положениях переключающей контактной группы в случае значительного разброса параметров элементов устройства. Для выполнения первого ключа 6 нормально открытым при реализации его на основе нормально закрытого BJT-транзистора параллельно коллекторному переходу включен высокоомный резистор 9. Резистор 10, включенный параллельно управляющему входу SIT-транзистора 7, обеспечивает, необходимую стабильность и устойчивость устройства. К устройству подключаются последовательно соединенные источник питания и нагрузки 11, 12.

Устройство для бездуговой коммутации электрических цепей работает следующим образом.

В исходном состоянии к источнику питания подключена нагрузка 12, соединенная с выводом 5. Подключение нагрузки 12 к источнику питания осуществляется через последовательно соединенные нормально замкнутый контакт переключающей контактной группы 3 и нормально открытый n-канальный второй ключ 7. Ключ 7 открыт ввиду отсутствия на его управляющем электроде запирающего напряжения, подача которого предотвращается закрытым состоянием первого ключа 6, обеспечиваемым шунтированием последовательно соединенных управляющих входов обоих ключей 6, 7 и порогового элемента 8 нормально замкнутым контактом переключающей контактной группы 3 через входной диод моста 2. При этом нагрузка 11, соединенная с выводом 4, отключена от источника питания нормально открытым контактом переключающей контактной группы 3. В результате управляющего воздействия на подвижный контакт переключающей контактной группы 3 нормально замкнутые контакты начинают размыкаться и происходит расшунтирование последовательно соединенных управляющих входов ключей 6, 7 и порогового элемента 8, при этом первый ключ 6 открывается и подводит запирающее минусовое напряжение с выхода диодного моста 2 к управляющему электроду второго ключа 7, приводящее к его выключению. Тем самым, запирание второго ключа 7, происходящее сразу же после размыкания последовательно соединенных с ним нормально замкнутых контактов переключающей контактной группы 3, обеспечивает быстрое отключение от источника питания нагрузки 12 и защиту размыкаемых контактов от возникновения на них дуги отключения. При этом процесс выключения второго ключа 7 происходит аналогично процессу “размыканием эмиттера”, обеспечивающего расширенную ОБР ключа. Поскольку процесс выключения второго ключа 7 происходит быстро (обычно в течение не более микросекунды), то элементы в цепи его управления - диодный мост 2 и первый ключ 6, нагружаются только в импульсе на указанный незначительный промежуток времени, что позволяет выполнять их маломощными. После окончания перелета подвижного контакта переключающей контактной группы 3 и замыкания нормально разомкнутых контактов происходит новое шунтирование последовательно соединенных управляющих входов ключей 6, 7 и порогового элемента 8, приводящее к выключению первого ключа 6, включению второго ключа 7 и соответственно подключению к источнику питания нагрузки 11, соединенной с выводом 4.

Обратное переключение нагрузок происходит аналогично прямому переключению.

Предложенное техническое решение предполагается использовать в комбинированных реле напряжения, которые будут выпускаться ОАО “ВНИИР”.

Указанные преимущества предлагаемого устройства для бездуговой коммутации электрических цепей позволят применять его в системах автоматики низковольтных энергосистем, устанавливаемых как на стационарных, так и на подвижных установках и летательных аппаратах.

Источники информации

1. А.с. СССР № 1667169, кл. Н 01 Н 9/30, заявл. 06.07.87, опубл. 30.07.91.

2. А.с. СССР № 1667168, кл. Н 01 Н 9/30, заявл. 06.07.87, опубл. 30.07.91.

3. Розанов Ю.К., Акимов Е.Г., Плотников В.И., Моисеев С.А. К разработке гибридных аппаратов с последовательным включением главных контактов и силовых полупроводниковых приборов // Применение силовой электроники в электротехнике: Материалы докладов международного научно-технического семинара (Москва, 15-19 мая 2000 года). М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова, 2000, С.145-146.

4. А.с. СССР № 1637019, кл. Н 03 К 17/60. Силовой транзисторный ключ с размыканием эмиттера, заявл. 02.03.89, опубл. 23.03.91.

5. А.с. СССР № 1624683, кл. Н 03 К 17/60, заявл. 11.11.88, опубл. 30.01.91.

6. Б.В.Кабелев, Ю.И.Конев. Силовой транзисторный ключ повышенного напряжения с размыканием эмиттера // Электронная техника в автоматике. Под ред. Ю.И.Конева. - М.: Радио и связь, 1986, вып.17, С.192-201.

7. А.А.Варданян. Быстродействующие биполярные силовые транзисторные ключевые приборы // Электротехника, 1990, № 2, С.62, рис.7.

8. Патент РФ № 1721653, кл. Н 01 Н 9/30, заявл. 22.06.89. опубл. 23.03.92.

9. Патент РФ № 2192682, кл. Н 01 Н 9/30, заявл. 05.07.2000, опубл. 10.11.2002.

10. О.Бономорский, П.Воронин. Тенденции развития комбинированных полупроводниковых ключей с полевым управлением // Электронные компоненты, №6, 2002, С.18-22.

11. SWITCHING POWER SUPPLY FOR THE PFL KICKER MAGNET H. Sato, E. Nakamura, S. Murasugi, S. Yamanaka and T. Kawakubo, S.Igarashi, KEK-PS, T. Hatano and N. Shimizu, NGK Insulators LTD, Nagoya And A. Tokuchi, Nichicon Corporation, Kusatsu // http://warrior.lbl.gov:7778/pacfiles/papers/TUESDAY/AM_POSTER/TPAE038/TPAE038.PDF.

12. PERFORMANCE OF PULSED POWER GENERATOR USING HIGH VOLTAGE STATIC INDUCTION THYRISTOR Ryoji Hironaka, Masato Watanabe, Akitoshi Okino, Mitsuaki Maeyama, Kwang-cheol Ко and Eiki Hotta // http://hotta.es.titech.ac.jp/~ehotta/pdf/Ppc-99/ppr-sit.pdf

13. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов / Под ред. Ю.К.Розанова. - М.: Энергоатомиздат, 1998, С.392, 393.

1. Устройство для бездуговой коммутации электрических цепей, содержащее вывод для подключения источника питания, выпрямительный диодный мост, переключающую контактную группу, неподвижные замыкающий и размыкающий контакты которой соединены с выводами для подключения двух нагрузок и входами диодного моста, и первый управляемый полупроводниковый ключ, первый силовой вывод и управляющий электрод которого соединены с выходами диодного моста, а второй силовой вывод, образующий с управляющим электродом управляющий вход ключа - с подвижным контактом переключающей контактной группы, отличающееся тем, что второй силовой вывод первого ключа соединен с подвижным контактом переключающей контактной группы через управляющий вход дополнительно введенного второго управляемого полупроводникового ключа, образованный управляющим электродом и первым силовым выводом, при этом второй силовой вывод соединен с выводом для подключения источника питания, а ключи выполнены нормально открытыми с противоположным типом проводимости.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй силовой вывод первого ключа соединен с управляющим входом второго ключа через пороговый элемент, например, стабилитрон.