БЕСКОНТАКТНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H03K17/04 

Изобретение предназначено для включения в сеть трехфазного напряжения и выключения из нее маломощных трехфазных электродвигателей приводов исполнительных механизмов и машин, пpеимущественно частовключаемых, работающих безнадзорно и управляемых дистанционно, в том числе по сигналам электронно-вычислительной машины.

Известны и давно применяются бесконтактные тиристорные пускатели серии ПТ (см. каталог Всесоюзного научно-исследовательского института "Информэлектро" 07.12.24 77), предназначенные для включения в трехфазную сеть и отключения от нее трехфазных электродвигателей. Эти пускатели состоят из трех пар тиристоров, блока питания и блока формирования управляющих импульсов. В каждой паре тиристоры соединены параллельно и встречно и образуют ключевой элемент с токопроводимостью в обоих направлениях. Три таких ключевых элемента, в каждой фазе по одному, обеспечивают подачу трехфазного напряжения потребителю, преимущественно трехфазному электродвигателю.

Известны также и более современные оптотиристорные пускатели (см. информационный листок Всесоюзного научно-исследовательского института "Информэлектро" ЛК 08.06.14 87). Они также содержат три пары оптотиристоров, блок питания и блок формирования управляющих импульсов. Управляющие импульсы преобразуются в световые импульсы, которые и отпирают оптотиристоры через каждый полупериод напряжения в каждой фазе. Оптотиристорные пускатели по-существу принципиально не отличаются от тиристорных пускателей серии ПТ.

Недостатком бесконтактных тиристорных пускателей является их сравнительно невысокая надежность, обусловленная наличием блока формирования управляющих импульсов и блока питания. Эти блоки довольно сложны и по этой причине недостаточно надежны. К тому же, блок питания должен быть постоянно включен по соображениям быстродействия, что исключает возможность безнадзорного использования известных тиристорных пускателей в автоматически работающих устройствах. То же самое относится и к более современным оптотиристорным пускателям.

Цель изобретения упрощение конструкции бесконтактных трехфазных выключателей, обеспечение их надежного функционирования без источников питания и устройств формирования управляющих импульсов, создание тем самым возможности их безнадзорного использования в автоматически работающих устройствах.

Цель достигается на принципиально новой конструктивной основе за счет применения минимального числа надежно работающих элементов.

В предлагаемом бесконтактном выключателе трехфазного напряжения применены два трехфазных трансформатора, шесть полупроводниковых диодов и транзистор.

Принципиально новая конструктивная основа заключается в том, что концы вторичных обмоток одного трансформатора соединены с концами первичных обмоток другого трансформатора через полупроводниковые диоды, а средние точки вторичных обмоток одного трансформатора соединены с коллектором транзистора, тогда как средние точки первичных обмоток другого трансформатора соединены с эмиттером транзистора, на базу которого подается управляющее напряжение.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема предлагаемого бесконтактного выключателя трехфазного напряжения для управляющего напряжения положительной полярности (относительно заземленного провода); на фиг.2 то же, для управляющего напряжения отрицательной полярности.

Бесконтактный выключатель трехфазного напряжения, управляемый постоянным напряжением, содержит трехфазные трансформаторы 1 и 2, полупроводниковые диоды 3 8 и транзистор 9.

Концы L1, L2, L3 первичных обмоток трансформатора 1 подключаются к трехфазной сети. Потребитель энергии подключается к концам L15, L25, L35 вторичных обмоток трансформатора 2.

Когда управляющее напряжение на базе транзистора 9 (фиг.1) отсутствует (равно нулю) и он находится в запертом состоянии, токи во вторичных обмотках трансформатора 1 равны нулю, так как полупроводниковые диоды 3 8 находятся под обратным напряжением и ток практически не пропускают, а транзистор 9 заперт и ток тоже не пропускает. Вследствие отсутствия токов в первичных обмотках трансформатора 2 напряжение на концах L15, L25, L35 вторичных обмоток трансформатора 2 отсутствует, потребитель энергии обесточен.

Когда же на базу транзистора 9 подается положительное управляющее напряжение (от внешнего источника 10), он насыщается и средние точки N 2 вторичных обмоток трансформатора 1 и средние точки N 3 первичных обмоток трансформатора 2 можно считать соединенными практически накоротко.

Тогда напряжение, приложенное к концам L1, L2, L3 первичных обмоток трансформатора 1, наводится на выходе L15, L25, L35 выключателя поочередно через контуры:
N2, N3, L13, L11, M2
N2, N3, L14, L12, N2
N2, N3 L23, L21, N2
N2, N3, L24, L22, N2
N2, N3, L33, L31, N2
N2, N3, L34, L32, N2
Для бесконтактного выключателя трехфазного напряжения, управляемого отрицательным напряжением (фиг. 2) при отсутствии управляющего напряжения, когда оно равно нулю, транзистор 9 находится в запертом состоянии, ток через эмиттерно-коллекторную цепь равен нулю. Полупроводниковые диоды находятся под обратным напряжением, токи через них тоже равны нулю. Вследствие отсутствия токов в первичных обмотках трансформатора 2 напряжение на концах L15, L25, L35 вторичных обмоток равно нулю.

Когда же на базу транзистора 9 подается отрицательное управляющее напряжение, он насыщается и средние точки N2 и N3 обмоток трансформаторов 1 и 2 можно считать соединенными практически накоротко.

Тогда напряжение на концах L15, L25, L35 наводится поочередно через контуры:
N2, L11, L13, N3, N2
N2, L12, L14, N3, N2
N2, L21, L23, N3, N2
N2, L22, L24, N3, N2
N2, L31, L32, N3, N2
N2, L32, L34, N3, N2
Предлагаемый бесконтактный выключатель трехфазного напряжения, управляемый постоянным напряжением, имеет приблизительно такой же высокий КПД, как и тиристорные пускатели серии ПТ. Это обусловлено тем, что все полупроводниковые элементы в предлагаемом выключателе работают в ключевом режиме, для которого характерны минимальные потери мощности. Во включенном состоянии через транзистор 9 проходит прямой ток, но напряжение на переходе коллектор-эмиттер мало, вследствие насыщения потери мощности также малы. Полупроводниковые диоды также работают в наиболее экономичном ключевом режиме: при прямых токах падение напряжения на них мало, при обратных напряжениях ничтожны токи. В выключенном состоянии через транзистор 9 и полупроводниковые диоды ток практически не проходит, так как они находятся в запертом состоянии, потерь мощности при этом практически нет.

В предлагаемом выключателе мощность теряется также в трансформаторах как во включенном состоянии, так и в выключенном. Но и в известных тиристорных пускателях серии ПТ есть потери мощности в блоке питания и блоке формирования управляющих импульсов.

Предлагаемый выключатель имел бы КПД равный единице, если бы трансформаторы, диоды и транзистор были идеальными. У тиристорного пускателя при условии идеальности тиристоров он был бы все же меньше единицы из-за потерь мощности в блоке питания и блоке формирования управляющих импульсов.

В предлагаемом выключателе узким местом, в смысле допустимой мощности нагрузки, является транзистор. Максимально допустимая мощность нагрузки выключателя ограничивается произведением максимального прямого тока транзистора на наибольшее обратное напряжение. Для современных транзисторов указанное произведение не превышает 1,5 кВт. Этим значением и ограничивается максимально допустимая мощность нагрузки предлагаемого выключателя.

Однако в будущем могут быть созданы специально силовые транзисторы с небольшим значением граничной частоты, но с большим произведением максимальных значений прямого тока и обратного напряжения. Тогда допустимая мощность нагрузки предлагаемого бесконтактного выключателя может приблизиться к мощности допустимой нагрузки на тиристорный пускатель, а, возможно, и превзойти ее.

С появлением транзисторов с большим произведением максимальных значений прямого тока и обратного напряжения область применения предлагаемого выключателя могут ограничивать также такие показатели, как масса и габаритные размеры, которые из-за наличия трансформаторов, велики.

Однако и в части трансформаторов в будущем возможен прогресс, обусловленный успехами в соответствующих областях науки и техники.

По надежности предлагаемый бесконтактный выключатель превосходит тиристорные пускатели как серии ПТ, так и более современные. Это обусловлено отсутствием в предлагаемом выключателе блока питания и блока формирования управляющих импульсов, которые довольно сложны, а, следовательно, и довольно ненадежны.

Высокая надежность предлагаемого бесконтактного выключателя и отсутствие в нем устройств, требующих надзора в процессе их работы, создают новые возможности автоматизации и телемеханизации различных систем, расположенных на больших территориях, в частности автоматизации и телемеханизации таких систем городского хозяйства, как отопление, водоснабжение, газоснабжение.

Испытания макетного образца бесконтактного выключателя трехфазного напряжения, управляемого постоянным напряжением, дали следующие результаты.

При фазном напряжении на входе 230 В и постоянном управляющем напряжении +2 В фазное напряжение на нагрузке, потребляющей мощность 75 Вт, было 195 В.

При управляющем напряжении 0 В и тех же остальных условиях фазное напряжение на выходе было 0,4 В, тогда как по расчету оно должно быть 0,002 В.

Столь значительное отклонение от расчетного значения фактического фазного напряжения на выходе выключателя при нулевом управляющем напряжении вызвано проникновением рассеянного магнитного поля одного трансформатора в магнитопровод другого. Это было подтверждено следующим образом. Были отпаяны все полупроводниковые диоды и транзистор, трансформаторы перестали быть электрически соединенными, но на выходе выключателя оставалось все то же фазное напряжение 0,4 В.

Во избежание указанных наводок на выходе выключателя следует располагать трансформаторы так, чтобы оси обмоток одного трансформатора были перпендикулярны осям обмоток другого трансформатора. В противном случае следует экранировать трансформаторы.

При последующем конструировании это обстоятельство будет учтено. В макетном же образце, предназначенном лишь для проверки правильности принципиальной стороны технического решения, трансформаторы расположены так, что оси всех обмоток параллельны.

Использование: изобретение относится к электротехнике и предназначено для подключения к сети трехфазного напряжения маломощных трехфазных электродвигателей приводов исполнительных механизмов и машин. Сущность изобретения: устройство содержит два трехфазных трансформатора, шесть диодов, транзистор. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. БЕСКОНТАКТНЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ТРЕХФАЗНОГО НАПРЯЖЕНИЯ, управляемый постоянным напряжением, содержащий первый и второй трехфазные трансформаторы, шесть полупроводниковых диодов, транзистор, база и эмиттер которого соединены с выходами источника управляющего напряжения, отличающийся тем, что первичные обмотки первого трехфазного трансформатора соединены звездой и подключены к трехфазной сети, первые и вторые концы первой третьей вторичных обмоток первого трехфазного трансформатора соединены соответственно с первыми и вторыми концами первой третьей первичных обмоток второго трехфазного трансформатора через соответственно первый шестой полупроводниковые диоды, средние точки первой третьей вторичных обмоток первого трехфазного трансформатора соединены с коллектором транзистора, эмиттер которого подключен к общему выходу источника управляющего напряжения и к средним точкам первой - третьей первичных обмоток второго трехфазного трансформатора, вторичные обмотки которого подключены к трехфазной нагрузке. 2. Выключатель по п.1, отличающийся тем, что при положительном управляющем напряжении на базе транзистора к первому и второму концам первой - третьей вторичных обмоток первого трехфазного трансформатора подключены катоды соответственно первого шестого диодов, а средние точки обмоток первого и второго трансформаторов подключаются к коллектору и эмиттеру транзистора n p n-типа, при отрицательном управляющем напряжении к первому и второму концам первой третьей вторичных обмоток первого трехфазного трансформатора подключены аноды соответственно первого шестого диодов, а средние точки обмоток первого и второго трансформаторов подключаются к коллектору и эмиттеру транзистора p n p-типа.