размыкатель цепи постоянного тока

Формула изобретения

Размыкатель цепи постоянного тока, содержащий источник постоянного напряжения, плюсовой вывод которого соединен с первым выводом нагрузки и с катодом вентиля в первую общую точку, минусовой вывод источника постоянного напряжения соединен с катодом первого тиристора, а второй вывод нагрузки соединен с анодом вентиля во вторую общую точку, соединенную с анодом первого тиристора, отличающийся тем, что в разрыв цепи между второй общей точкой и анодом первого тиристора введены две индуктивно связанные катушки, второй тиристор, коммутатор, первый и второй конденсаторы, балластное сопротивление и дополнительный источник постоянного напряжения, включенные таким образом, что индуктивно связанные катушки имеют встречное включение, причем первая катушка индуктивности имеет от пяти до двадцати раз меньшее число витков и активное сопротивление, чем вторая катушка индуктивности, при этом входной зажим первой катушки индуктивности, минусовые выводы первого конденсатора и дополнительного источника постоянного напряжения подключены ко второй общей точке, плюсовой вывод дополнительного источника постоянного напряжения подключен к входному зажиму балластного сопротивления, а выходной зажим балластного сопротивления образует третью общую точку с плюсовым выводом первого конденсатора и с входным зажимом коммутатора, выходной зажим коммутатора соединен в четвертую общую точку с катодом второго тиристора, с выходным зажимом второй катушки индуктивности и с одним из выводов второго конденсатора, а анод первого тиристора образует пятую общую точку с выходным зажимом первой катушки индуктивности, с входным зажимом второй катушки индуктивности и с другим выводом второго конденсатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсной технике и может применяться для коммутации силовых цепей постоянного тока, имеющих большую индуктивность, без размыкания контактов.

Известно, что для замыкания цепей постоянного тока широко применяются тиристоры. Известно также, что отключение тиристора невозможно без перехода тока через нулевое значение и поэтому приходится применять различные электромеханические устройства (размыкатели, разъединители и т.д.), что значительно усложняет конструкцию коммутирующей аппаратуры, увеличивает ее габариты и стоимость.

Известен тиристорный выключатель постоянного тока [В.И.Стульников, П.И.Лапченко и др. // Тиристоры в электроустановках / Киев: изд. Техника. - 1967. - С.94], выбранный в качестве прототипа, содержащий источник постоянного напряжения, тиристор, нагрузку, диод, конденсатор, балластное сопротивление, первый и второй коммутаторы, включенные таким образом, что плюсовой вывод источника соединен с катодом диода, с первым выводом нагрузки и первым выводом балластного сопротивления, второй вывод балластного сопротивления подключен к первому выводу конденсатора и к первым выводам первого и второго коммутаторов, второй вывод конденсатора подключен к второму выводу нагрузки, аноду диода и к аноду тиристора. Управляющий электрод тиристора подключен к второму выводу первого коммутатора, а катод тиристора подключен к минусовому выводу источника и к второму выводу второго коммутатора.

Недостатком такого устройства является то, что конденсатор, предназначенный для отключения тиристора при замыкании второго коммутатора заряжен только до величины напряжения источника и при размыкании сильноточных цепей требуется большая величина емкости конденсатора. Расчеты, проведенные с помощью программы Electronics Workbench, показывают, что при размыкании цепи с током 500 А и напряжением источника 200 В требуется конденсатор с емкостью 18000 мкФ, что значительно увеличивает габариты устройства. Другим недостатком данного устройства является то, что при разряде конденсатора импульс тока проходит через тиристор и одновременно через источник и нагрузку, что может привести к выходу из строя измерительной аппаратуры, следовательно, уменьшается надежность работы устройства.

Задачей изобретения является уменьшение габаритов устройства и увеличение надежности его работы.

Данная задача достигается тем, что размыкатель цепи постоянного тока содержит так же, как и устройство прототипа, источник постоянного напряжения, плюсовой вывод которого соединен с первым выводом нагрузки и с катодом вентиля в первую общую точку, минусовой вывод источника постоянного напряжения соединен с катодом первого тиристора, а второй вывод нагрузки соединен с анодом вентиля во вторую общую точку, соединенную с анодом первого тиристора. Согласно изобретению в разрыв цепи между второй общей точкой и анодом первого тиристора введены две индуктивно связанные катушки, второй тиристор, коммутатор, первый и второй конденсаторы, балластное сопротивление и дополнительный источник постоянного напряжения, включенные таким образом, что индуктивно связанные катушки имеют встречное включение, причем первая катушка индуктивности имеет от пяти до двадцати раз меньшее число витков и активное сопротивление, чем вторая катушка индуктивности, при этом входной зажим первой катушки индуктивности, минусовые вывода первого конденсатора и дополнительного источника постоянного напряжения подключены к второй общей точке, плюсовой вывод дополнительного источника постоянного напряжения подключен к входному зажиму балластного сопротивления, а выходной зажим балластного сопротивления образует третью общую точку с плюсовым выводом первого конденсатора и с входным зажимом коммутатора, выходной зажим коммутатора соединен в четвертую общую точку с катодом второго тиристора, с выходным зажимом второй катушки индуктивности и с одним из выводов второго конденсатора, а анод первого тиристора образует пятую общую точку с выходным зажимом первой катушки индуктивности, с входным зажимом второй катушки индуктивности и с другим выводом второго конденсатора.

Согласно проведенным экспериментальным исследованиям оптимальное соотношение токов в первой и второй катушках индуктивности находится в пределах от пяти до двадцати раз, что связано с надежностью размыкания тока в первой катушке индуктивности, а также с оптимальными габаритами устройства, поэтому первая катушка индуктивности должна иметь число витков и активное сопротивление, в пять-двадцать раз меньшее, чем вторая катушка индуктивности.

Изобретение имеет следующие преимущества перед устройством прототипа:

1. Благодаря применению двух индуктивно связанных катушек индуктивности, первая из которых имеет число витков и активное сопротивление, от пяти до двадцати раз меньшее, чем вторая катушка индуктивности, ток, протекающий через первую катушку индуктивности, будет иметь от пяти до двадцати раз большее значение, чем ток, протекающий через вторую катушку индуктивности. Это позволяет при встречном включении катушек и при размыкании небольшого тока в цепи второй катушки индуктивности уменьшать в пять-двадцать раз больший ток первой катушки индуктивности до нулевого значения, что значительно повышает надежность работы устройства и уменьшает его габариты.

2. Введение первого конденсатора, второго тиристора и коммутатора в устройство позволяет осуществлять отключение слаботочной цепи второй катушки индуктивности путем разряда первого конденсатора на второй тиристор при замыкании коммутатора, а поскольку отключаемый ток в пять-двадцать раз меньше тока силовой цепи первой катушки индуктивности, то уменьшаются габариты второго конденсатора, что в целом приводит к значительному уменьшению габаритов устройства.

3. Введение второго конденсатора, включенного параллельно второй катушке индуктивности, позволяет значительно уменьшить перенапряжение, возникающее на второй катушке индуктивности при размыкании цепи, что также повышает надежность работы устройства.

4. В соответствии со схемой включения второй и пятой общих точек в заявляемом устройстве первый и второй конденсаторы при размыкании второго тиристора будут включены последовательно, а образуемая ими ветвь при замыкании коммутатора и отключении второго тиристора подключается параллельно первой катушке индуктивности. Это позволяет уменьшить перенапряжение, возникающее на первой катушке индуктивности при размыкании силовой цепи, что также значительно повышает надежность работы устройства.

5. Введение дополнительного источника постоянного напряжения и балластного сопротивления позволяет осуществлять заряд второго конденсатора до напряжения, необходимого для размыкания цепи второй катушки индуктивности путем коммутации второго тиристора, что также повышает надежность работы устройства.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, на фиг.2 - диаграммы токов.

Устройство содержит источник постоянного напряжения 1, минусовой вывод которого подключен к катоду первого тиристора 2, а плюсовой вывод которого включен в первую общую точку с первым выводом нагрузки 3 и с катодом вентиля 4. Анод вентиля 4 образует вторую общую точку с вторым выводом нагрузки 3, входным зажимом первой катушки индуктивности 5, анодом второго тиристора 6, минусовыми выводами первого конденсатора 7 и дополнительного источника постоянного напряжения 8. Плюсовой вывод дополнительного источника постоянного напряжения 8 подключен к входному зажиму балластного сопротивления 9, выходной зажим которого образует третью общую точку с плюсовым выводом первого конденсатора 7 и с входным зажимом коммутатора 10. Выходной зажим коммутатора 10 соединен в четвертую общую точку с катодом второго тиристора 6, с выходным зажимом второй катушки индуктивности 11 и с одним из выводов второго конденсатора 12. Анод первого тиристора 2 образует пятую общую точку с выходным зажимом первой катушки индуктивности 5, с входным зажимом второй катушки индуктивности 11 и с другим выводом второго конденсатора 12.

На фиг.2 изображены постоянный ток 13, протекающий через тиристор 2 и нагрузку 3, а также импульс тока 14, сформированный в первом тиристоре 2 при разряде конденсатора 7 на второй тиристор 6.

Устройство работает следующим образом. При подаче управляющего импульса в момент времени t₀ на первый тиристор 2 и на второй тиристор 6 источник постоянного напряжения 1 подключается к нагрузке 3 и по цепи источник 1 - тиристор 2 - нагрузка 3 - первая катушка индуктивности 5 начинает протекать постоянный ток 13. Параллельно первой катушке индуктивности 5 подключается ветвь, содержащая последовательно включенные вторую катушку индуктивности 11 и второй тиристор 6, причем ток, протекающий по этой ветви, по величине в пять-двадцать раз меньше тока в катушке индуктивности 5. Дополнительный источник постоянного напряжения 8 через балластное сопротивление 9 заряжает первый конденсатор 7 до величины заданного напряжения, а коммутатор 10 находится в разомкнутом состоянии. Для размыкания силовой цепи и отключения нагрузки 3 от источника постоянного тока 1 замыкается коммутатор 10, при этом плюсовой вывод первого конденсатора 7 подключается к катоду второго тиристора 6 и осуществляется разряд первого конденсатора 7 через второй тиристор 6, что приводит к его запиранию, при этом ток во второй катушке индуктивности 11 уменьшается до нуля. Благодаря встречному включению ток в первой катушке индуктивности 5 также уменьшается до нулевого значения и в тиристоре 2 формируется импульс тока 14, приводящий к его запиранию и к отключению источника постоянного напряжения 1 от нагрузки 3 в момент времени t₁. Энергия, запасенная в нагрузке 3, в случае ее индуктивного характера, шунтируется вентилем 4. Импульс перенапряжения, возникающий на первой 5 и второй 11 катушках индуктивности, шунтируется первым 7 и вторым 12 конденсаторами. После размыкания коммутатора 10 устройство приводится в первоначальное состояние. Исследования данного устройства, проведенные с помощью программы Electronics Workbench, показали, что для размыкания аналогичной прототипу цепи с индуктивной нагрузкой 5 Гн, напряжением источника 200 В и током в 500 А, при числе витков и активном сопротивлении во второй катушке индуктивности 11, превышающем число витков в первой катушке индуктивности 5 в 10 раз, ток в первой катушке индуктивности составит 456 А, а ток во второй катушке индуктивности составит 45,6 А. При этом для запирания второго тиристора 6 и размыкания всей цепи в целом необходимая емкость первого конденсатора 7 составляет 400 мкФ, а напряжение его заряда 500 В.

Таким образом, предложенное схемное решение изобретения позволяет существенно уменьшить габариты устройства и увеличить надежность его работы.