Устройство для бездугового отключения индуктивной цепи постоянного тока

 

Устройство содержит главный контакт 1, шунтрированный основным тиристором 2, блок принудительной коммутации, состоящий из тиристора 3, конденсатора 4, дросселя 5 и обратного диода 6, цепь заряда конденсатора 4, состоящую из тиристора 7 и резистора 8, схему управления 9 тиристорами 2, 3, 7 и мощный ограничитель напряжения в виде нелинейно-резистивного элемента 12, который может подключаться параллельно нагрузке 11, главному контакту 1 или конденсатору 4 (в соответствии с точками подключения A, B, C вывода элемента 12, обозначенного стрелкой). Устройство служит для бездугового отключения индуктивной нагрузки 11 от источника питания 10 и эффективного гашения магнитного поля катушки путем рассеяния магнитной энергии в виде тепловых потерь в мощном нелинейно-резистивном элементе 12. 1 ил.

Изобретение относится к низковольтным электрическим аппаратам, в частности к устройствам для бездугового гашения магнитного поля мощных электрических машин.

Известно устройство [1] для гашения магнитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения крупных электрических машин. Устройство содержит главные контакты, а также вспомогательные контакты и дугогасительную решетку, подключенные параллельно главным контактам, включающим индуктивную нагрузку в цепь источника постоянного тока.

Устройство обладает значительными габаритами и массой, а также невысокой надежностью, связанной с дуговыми процессами при отключении индуктивной нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство [2] , содержащее основной тиристор, подключенный параллельно главному контакту, включенному в цепь источника питания, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора и конденсатора, цепь заряда коммутирующего конденсатора, состоящую из зарядного тиристора и резистора.

Устройство обладает низкой надежностью в случае отключения нагрузки, имеющей значительную индуктивную составляющую, так как коммутирующий конденсатор, имеющий ограниченную емкость, достаточную для коммутации основного тиристора, после перемены полярности будет заряжаться до очень высокого напряжения, а существенное увеличение (сотни раз) емкости конденсатора нецелесообразно в связи со значительным ухудшением массогабаритных показателей устройства. Кроме того, в момент отпирания коммутирующего тиристора конденсатор оказывается замкнутым накоротко, что снижает надежность блока коммутации.

Цель изобретения - повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей.

В предлагаемом устройстве для бездугового отключения индуктивной цепи постоянного тока, содержащем, как и в прототипе, источник питания, главный контакт, основной тиристор, блок принудительной коммутации основного тиристора, содержащий коммутирующие тиристор и конденсатор, зарядную цепь, состоящую из последовательно соединенных зарядного тиристора и резистора, блок управления тиристорами и цепь нагрузки, при этом один из выводов главного контакта подключен к положительному выводу источника питания и аноду основного тиристора, катод коммутирующего тиристора подключен к общей точке соединения одной из обкладок коммутирующего конденсатора с одним из выводов зарядной цепи, вторая обкладка коммутирующего конденсатора соединена с катодом основного тиристора, вторым выводом главного контакта и положительным выводом цепи нагрузки, второй вывод зарядной цепи подключен к отрицательному выводу цепи нагрузки и отрицательному выводу источника питания, поставленная цель по повышению надежности и улучшению массогабаритных показателей устройства достигается тем, что оно снабжено мощным ограничителем напряжения в виде нелинейно-резистивного элемента, а в блок принудительной коммутации основного тиристора дополнительно включены обратный диод, шунтирующий основной тиристор, и дроссель, один вывод которого подключен к аноду основного тиристора, а другой - к аноду коммутирующего тиристора.

Устройство отличается также тем, что нелинейно-резистивный элемент подключен параллельно нагрузке.

Устройство отличается, кроме того, тем, что нелинейно-резистивный элемент подключен параллельно главному контакту.

Устройство отличается также тем, что нелинейно-резистивный элемент подключен параллельно коммутирующему конденсатору Устройство представлено электрической схемой, приведенной на чертеже.

Схема содержит главный контакт 1, шунтированный основным тиристором 2, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора 3, конденсатора 4, дросселя 5 и обратного диода 6, цепь заряда коммутирующего конденсатора, состоящую из зарядного тиристора 7 и резистора 8, схему управления 9 тиристорами 2, 3 и 7, источник питания напряжения 10, активно-индуктивную нагрузку 11 и мощный ограничитель напряжения в виде нелинейно-резистивного элемента 12. Главный контакт 1 включает нагрузку 11 в цепь источника питания 10, причем первый вывод главного контакта 1 подсоединен к положительному выводу источника питания 10 и аноду основного тиристора 2 (точка соединения B). Параллельно главному контакту 1 подключены основной тиристор 2, обратный диод 6 и цепочка из последовательно соединенных дросселя 5, коммутирующего тиристора 3 и конденсатора 4. При этом дроссель 5 одним выводом подсоединен к аноду основного тиристора 2, а другим выводом - к аноду коммутирующего тиристора 3, конденсатор 4 одной обкладкой подсоединен к катоду основного тиристора 2, а другой обкладкой - к катоду коммутирующего тиристора 3 и одному из выводов (точка соединения C) зарядной цепи, состоящей из последовательно соединенных зарядного тиристора 7 и резистора 8. Другой вывод зарядной цепи подсоединен к отрицательному выводу нагрузки и отрицательному выводу источника питания 10 (точка соединения A). Нелинейно-резистивный элемент 12 одним выводом подсоединен к положительному выводу нагрузки 11, который подключен к катоду обратного диода 6, второму выводу главного контакта 1, катоду основного тиристора 2 и второй обкладке конденсатора 4. Второй вывод нелинейно-резистивного элемента 12, обозначенный стрелкой, может иметь три варианта подсоединения. Он может подсоединяться к точке A (показано сплошной линией), что соответствует шунтированию нагрузки 11 элементом 12. Он может подсоединяться к точке B (показано пунктиром), что соответствует шунтированию главного контакта 1 элементом 12. Кроме того, он может подсоединяться к точке C (показано пунктиром), что соответствует шунтированию коммутирующего конденсатора 4 элементом 12.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии главный контакт 1 соединяет источник питания 10 с нагрузкой 11. Процесс отключения начинается с того, что по сигналу схемы управления 9 включается тиристор 7 и начинается зарядный процесс конденсатора 4, который заряжается до номинального напряжения источника питания 10. После завершения зарядного процесса одновременно с началом размыкания главного контакта 1 включается основной тиристор 2 и ток нагрузки переходит из контактной цепи в цепь с тиристором 2. При полном раздвижении контакт-деталей главного контакта 1, когда его электрическая прочность достигнет максимального значения, отпирается тиристор 3, включающий контур принудительной коммутации тиристора 2, составленный из элементов 3-4-6-5-3. Процесс коммутации обусловливается образованием колебательного LC-контура (дроссель 5 - конденсатор 4), в котором ток перезаряда конденсатора 4 имеет вид полусинусоиды (активным сопротивлением контура, вносящим незначительное затухание, можно пренебречь). Под действием указанного тока происходит уменьшение тока тиристора 2, а в момент времени, когда данный ток становится равным току нагрузки, ток через тиристор 2 становится равным нулю. С этого момента продолжающий возрастать по синусоидальному закону ток разряда будет протекать через обратный диод 6. Цепь для протекания нагрузочного тока не прерывается: ее обеспечивает обратный диод 6. Во время протекания тока через диод 6 его прямое падение напряжения (для демпферных быстродействующих диодов оно может достигать 4-5 В) будет приложено к тиристору 2 в обратном направлении, тем самым способствуя восстановлению его запирающих свойств. Время протекания тока через диод 6, когда разрядный ток превосходит ток нагрузки, должно быть достаточным для восстановления запирающих свойств основного тиристора 2 (определяется свойствами LC-контура). В момент, когда разрядный ток, уменьшаясь, станет равным току нагрузки, колебательный процесс LC-контура прекратится и диод 6 обесточится. Но связь источника питания 10 с нагрузкой 11 на этом не прекращается и ток нагрузки не прерывается. Дальнейший перезарядный процесс конденсатора 4 будет продолжаться с участием индуктивной нагрузки 11, дросселя 5 и источника питания 10 по контуру, составленному из элементов 4-11-10-5-3-4. При этом энергия, накопленная в индуктивности нагрузки, имеет решающее значение и при перезаряде конденсатора 4 она должна преобразоваться в энергию электрического поля конденсатора. Но так как емкость конденсатора 4 очень мала и достаточна только лишь для быстрого выключения тиристора 2 (10-15 мкс), то увеличение энергии его электрического поля может быть достигнуто только за счет увеличения напряжения между его обкладками, поэтому после смены полярности конденсатор будет заряжаться и очень быстро до очень высокого напряжения. Одновременно, пропорционально этому будет расти также напряжение на индуктивной составляющей нагрузки. Начиная с некоторого значения, это может стать очень опасным как для изоляции конденсатора 4, так и для изоляции провода индуктивной нагрузки 11. Кроме того, при выполнении процедуры гашения магнитного поля нагрузки нецелесообразно производить перевод всей энергии магнитного поля в энергию электрического поля конденсатора, которую после завершения процесса гашения все равно необходимо рассеять в виде тепловых потерь. Поэтому, исходя из допустимого уровня перенапряжения на конденсаторе 4 и на катушке нагрузки 11, в схеме устройства используется мощный ограничитель напряжения в виде нелинейно-резистивного элемента 12 со специальными свойствами Этот элемент должен обладать минимальным током утечки при напряжениях меньше пробивного, а при превышении пробивного напряжения достаточно малым динамическим сопротивлением. В качестве такого элемента может быть использован, например, варистор или стабилитрон. Этот элемент должен быть достаточно мощным, с хорошим охладителем, чтобы рассеять энергию, накопленную в магнитном поле индуктивной нагрузки. Выбор величины пробивного напряжения указанного элемента, с одной стороны, должен обеспечивать достаточно малое время гашения магнитного поля и тогда это напряжение должно быть как можно больше, а с другой стороны, оно не должно превосходить допустимый уровень по условиям прочности изоляции конденсатора и катушки нагрузки.

Так как после запирания основного тиристора 2 и перемены полярности на обкладках конденсатора 4 увеличение перенапряжения на конденсаторе 4 происходит синхронно и одинаково с увеличением перенапряжения на нагрузке 11 (за вычетом величины напряжения источника питания 10), то гашение поля происходит аналогично и независимо от того, какой элемент подвергается шунтированию: нагрузка 11, главный контакт 1 или конденсатор 4. В любом из указанных случаев шунтирования шунтирующий нелинейно-резистивный элемент 12 рассеивает в виде тепловых потерь магнитную энергию отключаемой индуктивной нагрузки 11.

После завершения процесса гашения магнитного поля индуктивной нагрузки незначительная по величине электрическая энергия, накопленная в конденсаторе 4, будет рассеяна в резисторе 8 во время следующего цикла зарядного процесса.

Формула изобретения

Устройство для бездугового отключения индуктивной цепи постоянного тока, содержащее источник питания, главный контакт, основной тиристор, блок принудительной коммутации основного тиристора, содержащий коммутирующие тиристор и конденсатор, зарядную цепь, состоящую из последовательно соединенных зарядного тиристора и резистора, блок управления тиристорами и цепь нагрузки, при этом один из выводов главного контакта подключен к положительному выводу источника питания и аноду основного тиристора, катод коммутирующего тиристора подключен к точке соединения одной из обкладок коммутирующего конденсатора с одним из выводов зарядной цепи, другая обкладка коммутирующего конденсатора соединена с катодом основного тиристора, другим выводом главного контакта и положительным выводом цепи нагрузки, другой вывод зарядной цепи подключен к отрицательному выводу цепи нагрузки и отрицательному выводу источника питания, отличающееся тем, что введен мощный ограничитель напряжения в виде нелинейно-резистивного элемента, один из выводов которого подключен к точке соединения главного контакта с положительным выводом цепи нагрузки, а в блок принудительной коммутации основного тиристора введен обратный диод, шунтирующий основной тиристор, и дроссель, один вывод которого подключен к аноду основного тиристора, а другой - к аноду коммутирующего тиристора, при этом другой вывод нелинейно-резистивного элемента подключен к отрицательному выводу цепи нагрузки, или к положительному выводу источника питания, или к общей точке коммутирующего конденсатора и зарядной цепи.

РИСУНКИ

Рисунок 1