КОНТАКТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА С БЕЗДУГОВОЙ КОММУТАЦИЕЙ Российский патент 1996 года по МПК H01H9/30 

Изобретение относится к низковольтным электрическим аппаратам, в частности к контакторам постоянного тока с бездуговой коммутацией.

Известен контактор постоянного тока [1] содержащий цепь, состоящую из основного тиристора и диода, подключенную параллельно главному контакту, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора и конденсатора, зарядное устройство, блок управления, резистор и шунтирующий нагрузку обратный диод. Данное устройство характеризуется недостаточной надежностью вследствие сложности схемы и принципов ее управления.

Прототипом данного технического решения является контактор постоянного тока [2] содержащий основной тиристор, зашунтированный обратным диодом и подключенный параллельно главному контакту, соединяющему цепи источника питания и нагрузки, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора, конденсатора и первого дросселя, цепи заряда коммутирующего конденсатора, включающей зарядный тиристор и второй дроссель, блок управления тиристорами.

Недостатками этого устройства являются большие габариты и сложность блока управления тиристорами, низкая надежность при отключении главного контакта, так как используемые в устройстве герконы могут повторно включить основной тиристор при воздействии внешнего магнитного поля или не выдержать коммутационных перенапряжений.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей контактора.

В контакторе, содержащем общие с прототипом [2] источник питания, главный контакт, основной тиристор, обратный диод, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора, конденсатора и первого дросселя, соединенных между собой последовательно, цепь заряда коммутирующего конденсатора, содержащую второй дроссель и зарядный тиристор, соединенные между собой последовательно, цепь нагрузки и блок управления тиристорами, при этом основной тиристор, зашунтированный обратным диодом, подключен параллельно главному контакту, первый вывод главного контакта соединен с положительным выводом источника питания, а второй вывод главного контакта с положительным выводом цепи нагрузки, отрицательный вывод цепи нагрузки соединен с отрицательным выводом источника питания, указанная выше цель по совершенствованию контактора достигается тем, что он снабжен дополнительным обратным диодом, цепь заряда коммутирующего конденсатора подключена одним выводом к положительному выводу источника питания, а другим выводом к положительной обкладке коммутирующего конденсатора, отрицательная обкладка которого подключена к отрицательному выводу источника питания, общая точка соединения вывода цепи заряда и положительной обкладки коммутирующего конденсатора через коммутирующий тиристор и первый дроссель соединена с положительным выводом нагрузки и с катодом основного тиристора, общая точка соединения коммутирующего тиристора и первого дросселя подключена к катоду дополнительного обратного диода, анод которого подключен к отрицательному выводу цепи нагрузки и отрицательной обкладке коммутирующего конденсатора, блок управления тиристорами выполнен в виде автономных схем управления каждым тиристором, при этом автономная схема управления основным тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных диода, стабилитрона и резистора, один из выводов которой подключен к общей точке соединения положительной обкладки коммутирующего конденсатора, анода коммутирующего тиристора и катода зарядного тиристора, а другой вывод указанной цепочки к управляющему электроду основного тиристора, причем диод и стабилитрон соединены встречно, а диод и управляющий переход основного тиристора согласно, автономная схема управления коммутирующим тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных резистора, стабилитрона и контактов концевого выключателя, предназначенного для механической связи с подвижной частью контактора, причем один вывод указанной цепочки подключен к управляющему электроду коммутирующего тиристора, а другой к общей точке соединения положительной обкладки коммутирующего конденсатора и катода зарядного тиристора, автономная схема управления зарядным тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных диода, резистора и контактов, один из выводов которой подключен к управляющему электроду зарядного тиристора, а другой к положительному выводу цепи нагрузки, причем указанные контакты механически связаны с контактами элемента, включающего катушку электромагнита.

Представленная на чертеже схема контактора постоянного тока с бездуговой коммутацией содержит основной тиристор 1, зашунтированный обратным диодом 2 и подключенный параллельно главному контакту 3, включенному в цепь источника питания 4, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора 5, конденсатора 6 и первого дросселя 7, цепь заряда коммутирующего конденсатора, состоящую из второго дросселя 8 и зарядного тиристора 9. Схема управления основным тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных диода 10, стабилитрона 11 и резистора 12. Схема управления коммутирующим тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных резистора 13, стабилитрона 14 и контактов 15 концевого выключателя. Схема управления зарядным тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных диода 16, резистора 17 и контактов 18, механически связанных с контактами 19, включающими катушку электромагнита 20. Главный контакт 3 соединяет цепи источника питания 4 и нагрузки 21, которая шунтируется обратным диодом 22.

Устройство, приведенное на фиг. 1, работает следующим образом.

В исходном (включенном) состоянии главного контакта 3 контакты 18 и 19 разомкнуты, катушка 20 электромагнита обесточена и замкнутое состояние главного контакта 3 обеспечивает пружинный механизм. Конденсатор 6 разряжен практически до нулевого напряжения. Цепи управления тиристоров 1, 5, 9 обесточены, а сами тиристоры закрыты. Через тиристоры 5 и 9, находящиеся под полным напряжением источника питания, протекают ничтожно малой величины токи утечки, а основной тиристор 1 зашунтирован главным контактом 3, создающим ничтожно малое падение напряжения. Закрыт также обратный диод 22, так как напряжение нагрузки приложено к нему в обратном направлении.

В процессе отключения контактора замыкаются контакты 18 и 19, что приводит к отпиранию зарядного тиристора 9 и включению катушки 20 электромагнита. После завершения зарядного процесса тиристор 9 закроется, так как ток в зарядной цепи упадет до нуля, а более высокое, чем питающее, напряжение на конденсаторе 6 будет приложено к тиристору 9 в обратном направлении. Для защиты управляющего перехода тиристора 9 служит диод 16. Переходный процесс возрастания тока в катушке электромагнита должен быть скорректирован по отношению к зарядному процессу конденсатора 6 соответствующим выбором параметров этих цепей. В этом случае зарядный процесс завершится раньше момента достижения током катушки значения тока срабатывания, когда якорь начинает перемещаться, а контакт детали главного контакта 3, раздвигаться. Однако до этого момента произойдет отпирание основного тиристора 1, как только конденсатор 6 зарядится до практически двойного напряжения по отношению к напряжению источника питания. Наличие напряжения на конденсаторе 6 более высокого, чем напряжение источника питания, позволяет разместить в цепи управляющего электрода тиристора 1 пороговый элемент в виде стабилитрона 11 с таким пороговым напряжением, чтобы его сумма с напряжением питания была немного ниже напряжения полностью заряженного конденсатора 6. Таким образом, тиристор 1 откроется только тогда, когда конденсатор 6 зарядится до практически максимально возможного напряжения и когда запасенная в нем энергия будет достаточной для осуществления процесса принудительной коммутации тиристора 1. Резистор 12 ограничивает ток управления тиристора 1 до необходимой величины, а диод 10 защищает управляющий переход тиристора 1 от пробоя, когда конденсатор 6 будет разряжен. Отпирание тиристора 1 произойдет практически мгновенно по сравнению с переходным процессом включения катушки 20 электромагнита и зарядным процессом конденсатора 6.

Таким образом, до начала размыкания главного контакта 3 тиристор 1 откроется и его открытое состояние будет поддерживаться током управляющего электрода. Далее главный контакт 3 разомкнется, и ток нагрузки перейдет в шунтирующую цепь с тиристором 1, создающим достаточно малое падение напряжения, не позволяющее развиться дуговому процессу в зазоре между контакт-деталями главного контакта 3. По мере раздвижения контакт-деталей электрическая прочность между ними будет увеличиваться и при максимальном зазоре во много раз превзойдет уровень питающего напряжения, что позволит отключить основной тиристор 1 без образования дуги на главном контакте.

При достижении контакт-деталями контакта 3 максимального зазора замыкаются контакты 15 концевого выключателя и подключают к конденсатору 6 цепочку управления коммутирующего тиристора 5, которая содержит пороговый элемент в виде стабилитрона 14 и ограничивающий резистор 13. Стабилитрон 14 имеет такое пороговое напряжение, которое в сумме с напряжением питания должно быть немного ниже напряжения полностью заряженного конденсатора 6.

Срабатывание тиристора 5 определяется моментом замыкания контактов 15 концевого выключателя и одновременно произойдет снятие управляющего сигнала с тиристора 5, который своим открытым переходом зашунтирует цепочку управления. При отпирании тиристора 5 образуется разрядная цепь принудительной коммутации, состоящая из конденсатора 6, тиристора 5, дросселя 7, диода 2 и источника питания 4. Пока напряжение на конденсаторе 6 больше напряжения источника питания ток разряда, достигнув значения тока нагрузки, превзойдет его и его избыточная часть замкнется через диод 2 и источник питания 4, а к тиристору 1 будет приложено обратное напряжение, равное прямому падению напряжения на диоде 2, что обеспечит надежное запирание тиристора 1, с которого при определенном уровне разряда конденсатора 6 будет снят управляющий сигнал. Кроме того, надежное запирание тиристора 1 должно быть обеспечено необходимым соотношением индуктивности и емкости контура принудительной коммутации для создания колебательного разрядного процесса требуемой продолжительности.

После запирания основного тиристора 1 и падения разрядного тока конденсатора 6 до значения тока нагрузки 21 источник питания 4 полностью отключается от нагрузки 21. В этот момент напряжение на конденсаторе 6 падает до величины, примерно равной напряжению источника питания, а остаточная энергия конденсатора составляет примерно 25% от максимально запасаемой к началу цикла принудительной коммутации. Остаточный разряд конденсатора 6 и гашение поля в дросселе 7 и индуктивности нагрузки 21 производится по контуру, состоящему из элементов 6-5-7-21. Как только напряжение на цепочке "конденсатор 6 открытый тиристор 5" сравняется с прямым падением напряжения на диоде 22, указанная цепочка обесточивается, а ток нагрузки переходит в диод 22. Применение диода 22 предотвращает продолжение колебательного перезаряда конденсатора 6 и изменение полярности напряжения на его обкладках. Предотвращение изменения полярности на конденсаторе 6 позволяет применить вместо бумажных или пленочных конденсаторов электролитические конденсаторы, имеющие существенно меньшие массу и габариты.

Остаточный процесс гашения тока нагрузки происходит по контуру, состоящему из элементов 7-21-22, и завершается выделением тепла в обратном диоде 22 и активной составляющей нагрузки 21.

Схема контактора постоянного тока, обеспечивающая бездуговую коммутацию при размыкании главного контакта, достаточно проста, имеет минимальное количество элементов, не требует для питания отдельных ее цепей дополнительных источников энергии. Срабатывание основного тиристора, шунтирующего главный контакт, не происходит в момент его размыкания, сопровождающегося возникновением короткой дуги, что свойственно большинству гибридных контакторов. Отскок контактов при замыкании главного контакта не сопровождается ложным срабатыванием управляемых элементов (тиристоров) схемы, так как она работает на другом принципе. Все это обеспечивает высокую надежность схемы.

Существо изобретения: заключается в том, что контактор постоянного тока для бездугового размыкания главного контакта 3, зашунтирован основным тиристором 1 и обратным диодом 2. Запирание тиристора 1 после размыкания главного контакта 3 обеспечивается блоком принудительной коммутации, состоящим из коммутирующих тиристора 5, конденсатора 6 и дросселя 7. Конденсатор 6 заряжается при помощи зарядной цепи, состоящей из дросселя 8 и тиристора 9. Подключение зарядной цепи осуществляется контактами 18, механически связанными с контактами 19, подключающими катушку 20 электромагнита к источнику питания 4. Зарядный процесс и связанный с ним процесс отпирания основного тиристора 1 завершаются до начала размыкания главного контакта 3. После завершения бездугового размыкания главного контакта 3 замыкаются контакты 5 и включение блока принудительной коммутации, после него тиристор 1 запирается, а нагрузка 21 отключается от источника питания 4. 1 ил.

Контактор постоянного тока с бездуговой коммутацией, содержащий источник питания, главный контакт, основной тиристор, обратный диод, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора, конденсатора и первого дросселя, соединенных между собой последовательно, цепь заряда коммутирующего конденсатора, содержащую второй дроссель и зарядный тиристор, соединенные между собой последовательно, цепь нагрузки и блок управления тиристорами, при этом основной тиристор, зашунтированный обратным диодом, подключен параллельно главному контакту, первый вывод главного контакта соединен с положительным выводом источника питания, а второй вывод главного контакта с положительным выводом цепи нагрузки, отрицательный вывод цепи нагрузки соединен с отрицательным выводом источника питания, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным обратным диодом, цепь заряда коммутирующего конденсатора подключена одним выводом к положительному выводу источника питания, а другим выводом к положительной обкладке коммутирующего конденсатора, отрицательная обкладка которого подключена к отрицательному выводу источника питания, общая точка соединения вывода цепи заряда и положительной обкладки коммутирующего конденсатора через коммутирующий тиристор и первый дроссель соединена с положительным выводом нагрузки и с катодом основного тиристора, общая точка соединения коммутирующего тиристора и первого дросселя подключена к катоду дополнительного обратного диода, анод которого подключен к отрицательному выходу цепи нагрузки и отрицательной обкладке коммутирующего конденсатора, блок управления тиристорами выполнен в виде автономных схем управления каждым тиристором, при этом автономная схема управления основным тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных диода, стабилитрона и резистора, один из выводов которой подключен к общей точке соединения положительной обкладки коммутирующего конденсатора, анода коммутирующего тиристора и катода зарядного тиристора, а другой вывод указанной цепочки к управляющему электроду основного тиристора, причем диод и стабилитрон соединены встречно, а диод и управляющий переход основного тиристора согласно, автономная схема управления коммутирующим тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных резистора, стабилитрона и контактов концевого выключателя, предназначенного для механической связи с подвижной частью контактора, причем один вывод указанной цепочки подключен к управляющему электроду коммутирующего тиристора, а другой к общей точке соединения положительной обкладки коммутирующего конденсатора и катода зарядного тиристора, автономная схема управления зарядным тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных диода, резистора и контактов, один из выводов которой подключен к управляющему электроду зарядного тиристора, а другой к положительному выводу цепи нагрузки, причем указанные контакты предназначены для механической связи с контактами элемента, включающего катушку электромагнита.