Устройство для бездуговой коммутации электрической цепи

Использование: в сетях автономных систем электроснабжения. Технический результат - обеспечение в отключенном состоянии гальванической развязки нагрузки от источника питания. Устройство для бездуговой коммутации электрической цепи содержит нормально открытый управляемый полупроводниковый ключ, управляющий электрод которого подключен к первым выводам резистора и прямовключенного диода, конденсатор и контакты, первый вывод которых соединен с первой выходной клеммой, а второй - со вторым выводом резистора и с первым силовым выводом полупроводникового ключа, образующим с управляющим электродом управляющий вход ключа, второй силовой вывод которого образует вторую выходную клемму, конденсатор одним выводом соединен с первым выводом контактов, а другим - с вторым выводом прямовключенного диода и первым выводом дополнительно введенного резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом контактов. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к коммутации электрической цепи, и может быть использовано в сетях автономных систем электроснабжения.

Известны устройства для бездуговой коммутации электрической цепи [1-4], содержащие контакты, к которым подсоединены силовые выводы нормально закрытого управляемого полупроводникового ключа и цепь из последовательно соединенных конденсатора и резистора или диода, подключенного к управляющему входу полупроводникового ключа. Недостаток устройств - отсутствие в отключенном состоянии гальванической развязки нагрузки от источника питания, поскольку включенный параллельно контактам полупроводниковый ключ в закрытом состоянии имеет через силовые выводы значительные токи утечки (порядка единиц и десятков миллиампер) [5].

Известно устройство для бездуговой коммутации электрической цепи [6], содержащее основные контакты с задержкой на замыкание, к которым через дополнительные контакты с задержкой на размыкание подсоединены силовые выводы нормально закрытого управляемого полупроводникового ключа и цепь из последовательно соединенных конденсатора и резистора, подключенного к управляющему входу полупроводникового ключа. Недостаток устройства - сложность, обусловленная необходимостью обеспечения задержки на замыкание основных контактов и введением дополнительных контактов с задержкой на размыкание в цепь полупроводникового ключа для обеспечения гальванической развязки в отключенном состоянии нагрузки от источника питания.

Известно устройство для защиты от искрения при включении [7], содержащее подключенные к источнику питания последовательно соединенные нагрузку, контакты и нормально закрытый однооперационный тиристорный ключ, управляющий электрод которого через первый резистор соединен с анодом и через параллельно включенные второй резистор и конденсатор - с катодом. Недостаток устройства - отсутствие защиты контактов от дуги при их размыкании.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по техническим средствам и достигаемому результату является устройство для бездуговой коммутации электрической цепи по патенту РФ [8], содержащее контакты и нормально открытый управляемый полупроводниковый ключ, управляющий электрод которого через диод подключен к первому выводу контактов, образующему первую выходную клемму, а второй вывод контактов соединен с первым силовым выводом полупроводникового ключа, образующим с управляющим электродом управляющий вход ключа, к которому подключены параллельно соединенные конденсатор и резистор, при этом второй силовой вывод ключа образует вторую выходную клемму. Недостаток устройства - отсутствие в отключенном состоянии полной гальванической развязки нагрузки от источника питания ввиду имеющегося в нем тока утечки через управляющий электрод.

Технический результат предлагаемого изобретения - обеспечение в отключенном состоянии полной гальванической развязки нагрузки от источника питания без введения усложняющих дополнительных контактов в цепь управляющего электрода полупроводникового ключа.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для бездуговой коммутации электрической цепи, содержащем нормально открытый управляемый полупроводниковый ключ, управляющий электрод которого подключен к первым выводам резистора и прямовключенного диода, конденсатор и контакты, первый вывод которых соединен с первой выходной клеммой, а второй - со вторым выводом резистора и с первым силовым выводом полупроводникового ключа, образующим с управляющим электродом управляющий вход ключа, второй силовой вывод которого образует вторую выходную клемму, конденсатор одним выводом соединен с первым выводом контактов, а другим - с вторым выводом прямовключенного диода и первым выводом дополнительно введенного резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом контактов.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря соединению конденсатора одним выводом с первым выводом контактов, а другим - через дополнительный резистор с вторым выводом контактов и через прямовключенный диод с управляющим электродом управляемого полупроводникового ключа в предлагаемом устройстве в отличие от прототипа достигнута не потенциальная (гальваническая), а импульсная (емкостная) с гальванической развязкой [9, 10] связь управляющего входа управляемого полупроводникового ключа с контактами, действующая только в переходных, коммутационных режимах и обеспечивающая во время отключения устройства автоматическое управление выключением нормально открытого управляемого полупроводникового ключа от размыкающихся контактов за счет приложения импульса запирающего напряжения к управляющему входу полупроводникового ключа, возникающего при размыкании контактов.

Известно в устройствах для бездуговой коммутации электрической цепи соединение конденсатора одним выводом с первым выводом контактов, а другим - через резистор с вторым выводом контактов и управляющим электродом управляемого полупроводникового ключа [1-4]. Однако в известных устройствах при указанном соединении конденсатор выполняет только одну функцию: управление включением нормально закрытого управляемого полупроводникового ключа на время размыкания контактов. В предлагаемом же устройстве конденсатор выполняет две функции: управление выключением нормально открытого полупроводникового ключа на время размыкания контактов и гальваническую развязку электродов управляемого полупроводникового ключа от источника питания, обеспечивающую, соответственно, устройству в отключенном состоянии полную гальваническую развязку нагрузки от источника питания без введения в него усложняющих дополнительных контактов, как это имеет место в [6, 11, 12], что является существенным отличием предлагаемого устройства от известных.

На фиг.1 представлен вариант предложенного устройства для бездуговой коммутации электрической цепи при использовании в качестве нормально открытого управляемого полупроводникового ключа транзистора со статической индукцией [13], где приняты следующие обозначения:

1 - транзистор со статической индукцией;

2 - резистор;

3 - прямовключенный диод;

4 - конденсатор;

5 - контакты;

6 - первая выходная клемма;

7 - вторая выходная клемма;

8 - дополнительный резистор.

Последовательно с устройством включаются не показанные на фиг.1 последовательно соединенные источник питания и нагрузка, которая может быть соединена с устройством как со стороны первой, так и второй выходных клемм.

Устройство для бездуговой коммутации электрической цепи содержит транзистор со статической индукцией 1, затвор которого подключен к первым выводам резистора 2 и прямовключенного диода 3, конденсатор 4, контакты 5, первый вывод которых соединен с первой выходной клеммой 6, а второй - со вторым выводом резистора 2 и истоком транзистора 1, сток которого образует вторую выходную клемму 7, и дополнительный резистор 8, первый вывод которого соединен с вторым выводом прямовключенного диода 3, а второй - с вторым выводом контактов, при этом конденсатор 4 одним выводом соединен с первым выводом контактов 5, а другим - с вторым выводом прямовключенного диода 3.

На фиг.2 приведены осциллограммы напряжения при отключении устройством активной нагрузки, где приняты следующие обозначения:

U_6-7 - напряжение на выходных клеммах;

U₁ - напряжение на силовых выводах полупроводникового ключа;

U₅ - напряжение на контактах.

Устройство для бездуговой коммутации электрической цепи работает следующим образом.

В отключенном состоянии, когда контакт 5 разомкнут, конденсатор 4 заряжен через генератор тока, образованный транзистором со статической индукцией 1 и параллельно включенными через прямовключенный диод 3 резисторами 2 и 8, до полного напряжения источника питания. Тем самым разомкнутый контакт 5 и заряженный до напряжения источника питания конденсатор 4 обеспечивают в отключенном состоянии полную гальваническую развязку всех электродов транзистора 1 и, соответственно, нагрузки от источника питания. В результате управляющего включающего воздействия на контакты 5 они замыкаются, и через них и последовательно соединенный с ними нормально открытый транзистор со статической индукцией 1 начинает протекать ток нагрузки. При этом заряженный до напряжения питания конденсатор 4 разряжается через замкнутые контакты 5 и дополнительный резистор 8. При воздействии управляющего отключающего воздействия на контакты 5 они начинают размыкаться, и ток нагрузки с них начинает перетекать в разряженный конденсатор 4. Возникающий емкостный ток через конденсатор 4 приводит к образованию на управляющем входе нормально открытого транзистора со статической индукцией 1 запирающего напряжения, которое обеспечивает его резкое призакрывание (кривая U₁ на фиг.2). При этом напряжение на размыкаемых контактах 5 увеличивается не скачкообразно, а плавно (кривая U₅ на фиг.2), обеспечивая превышение роста восстанавливающейся электрической прочности межконтактного зазора размыкающихся контактов 5 над ростом восстанавливающегося на них напряжения и тем самым исключая дугообразование на контактах.

Предложенное техническое решение предполагается использовать в комбинированных контактно-бесконтактных реле напряжения, обеспечивающих в отключенном состоянии полную гальваническую развязку нагрузки от источника питания без введения в реле усложняющих дополнительных контактов развязки, которые будут выпускаться ОАО "ВНИИР".

Указанные преимущества предлагаемого устройства для бездуговой коммутации электрической цепи позволят ему найти применение в системах автоматики низковольтных энергосистем, устанавливаемых как на стационарных, так и на подвижных установках и летательных аппаратах.

Источники информации

1. Патент США №4658320, Н 01 Н 9/30, НПК 361/13; 361/58, заявл. 08.03.1985, опубл. 14.04.1987.

2. Патент США №4438472, Н 02 Н 7/22, НПК 361/13; 307/134; 361/2, заявл. 09.08.1982, опубл. 20.04.1984.

3. Патент Швейцарии №588153, МКИ Н 01 Н 9/30, НПК 24h, заявл. 13.08.1975, опубл. 31.05.1977.

4. Патент ЕПВ (ЕР) №0102442. МКИ Н 01 Н 9/54, заявл. 23.02.1983, опубл. 14.03.1984.

5. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник - М.: Радио и связь, 1992, с.35.

6. А.с. СССР №920898, МКИ Н 01 Н 9/30, заявл. 02.03.1977, опубл. 15.04.1982.

7. А.с. СССР №907609, Н 01 Н 9/30, заявл. 26.06.1980, опубл. 23.02.1982.

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

9. Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА - М.: Радио и связь, 1989, с.46, 51.

10. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник - М.: Радио и связь, 1992, с.36, рис.2.21.

11. Марактанов В.А., Пивненко А.Д. О возможности создания выключателя, работающего с заданным законом коммутации. - Научно-технический сборник Электротехническая промышленность. Сер. Аппараты низкого напряжения, 1971, вып.7, с.8, рис.5.

12. А.с. СССР №1631619, Н 01 Н 9/30, заявл. 22.12.1988, опубл. 28.02.1991.

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

Устройство для бездуговой коммутации электрической цепи, содержащее нормально открытый управляемый полупроводниковый ключ, управляющий электрод которого подключен к первым выводам резистора и прямовключенного диода, конденсатор и контакты, первый вывод которых соединен с первой выходной клеммой, а второй - со вторым выводом резистора и с первым силовым выводом полупроводникового ключа, образующим с управляющим электродом управляющий вход ключа, второй силовой вывод которого образует вторую выходную клемму, отличающееся тем, что конденсатор одним выводом соединен с первым выводом контактов, а другим - с вторым выводом прямовключенного диода и первым выводом дополнительно введенного резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом контактов.