УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ КОММУТИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ Российский патент 1997 года по МПК H02M1/08 

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано для управления коммутирующим элементом любого типа, использующего в цепи управления коммутируемого элемента переменный и постоянный ток, особенно эффективно применение предлагаемого устройства для управления через жидкость.

Известно устройство управления симметричным тиристором, содержащее ключ управления тиристором, подсоединенный параллельно управляющему переходу к сети с одной стороны непосредственно, а со стороны управляющего электрода через конденсатор (см. а.с. N1695460).

Это устройство имеет тот недостаток, что ключ управления имеет непосредственную связь с сетью питания, что при высоком сетевом напряжении опасно для обслуживающего персонала, а при выполнении цепи ключа управления через токопроводящую жидкость приводит к значительным усложнениям изоляции сосуда, в котором находится эта жидкость.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является устройство, содержащее два трансформатора в цепи управления, первичная обмотка одного из которых подсоединена к сети питания, вторичная обмотка этого трансформатора подсоединена параллельно первичной обмотке другого трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена к управляющему переходу коммутирующего элемента (см. кн. Л. П. Дмитриенко. "Тиристорные релейные и регулирующие устройства". М. Энергоатомиздат, 1988, с. 28, рис. 12в).

Это устройство не имеет гальванической связи ключа управления с сетью питания, но имеет те недостатки, что ключ управления сложен и требует стороннего источника питания, а первичная обмотка трансформатора, подсоединенная к сети питания, должна содержать число витков, обеспечивающее работу трансформатора в линейном режиме, что увеличивает либо железо трансформатора, либо увеличивает расход меди на обмотку трансформатора и к тому же система получается не универсальной, т.к. на большее напряжение необходимо и большее число витков обмотки, либо большее сечение железа трансформатора, что значительно увеличивает габариты.

Предлагаемое устройство свободно от указанных недостатков. Это достигается тем, что введены конденсатор и сопротивление, причем первичная обмотка первого трансформатора выполнена из условия работы в нелинейном режиме и подсоединена выводом к другой шине питания цепи нагрузки через конденсатор, а сопротивление подсоединено параллельно ключу управления.

Действительно, устройство стало иметь значительно меньшие габариты за счет выполнения трансформатора, работающего в нелинейном режиме, при U насыщения особенно при больших напряжениях сети, а ключ управления упростился до двух контактов, шунтированных сопротивлением. Последнее еще обеспечивает управление при небольших токах управления, проходящих через ключ, в то время как через управляющий переход коммутирующего элемента проходит большой ток управления. Во вторичной обмотке первого трансформатора и первичной обмотке второго проходит тот же большой ток управления, т.к. второй трансформатор работает в линейном режиме, в отличие от первого, а напряжение на ключе управления небольшое. Основной ток управления проходит по сопротивлению, включенному параллельно ключу управления, а в цепи ключа управления проходит небольшой ток. Это особенно эффективно, когда в цепи ключа управления задействована жидкость с большим сопротивлением и применено небольшое напряжение на ключе управления, которое не обеспечивает необходимый ток управления.

Кроме того, включение сопротивления обеспечивает относительно равномерный режим работы трансформатора в части перераспределения напряжений между первичной обмоткой первого трансформатора и конденсатором. Постоянство напряжения на вторичной обмотке первого трансформатора независимо от напряжения сети обеспечивает постоянство напряжения на втором трансформаторе, а значит, и в цепи управления коммутирующим элементом.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Цепь нагрузки 1 подсоединена между зажимами 2 и 3 через коммутирующий элемент 4, управляющий вход которого подсоединен к вторичной обмотке второго трансформатора 5, первичная обмотка которого подсоединена параллельно вторичной обмотке первого трансформатора 6 через параллельно включенные сопротивление 7 и ключ управления 8. Ключ управления при применении в цепи управления токопроводящей жидкости выполняется в виде двух электродов, шунтированных выше указанным сопротивлением. Первичная обмотка первого трансформатора включена параллельно коммутирующему элементу, но может включаться и параллельно сетевым зажимам, через конденсатор 9.

При подаче напряжения сети на входные зажимы через первичную обмотку трансформатора 6 идет ток, определяемый сопротивлением 7 и цепью управления коммутирующего элемента 4. Ключ управления 8 разомкнут, коммутирующий элемент не включен, отсекает нагрузку от сети. Напряжение перераспределяется между конденсатором 9 и обмоткой. При достижении на этой обмотке напряжения насыщения трансформатора 6 трансформатор входит в насыщение, ток через первичную обмотку ограничивается конденсатором. На вторичной обмотке напряжение падает. За счет установки конденсатора создалась возможность применения режима насыщения трансформатора, что в конечном счете обеспечило уменьшение габаритов трансформатора 6. Действительно, предположим, что применяем тороидальный трансформатор при условии ≈U_сети 220 B при напряжении на вторичной обмотке ≈U₂ 20 B. Сначала рассчитаем трансформатор, который работает в аналоге, т.е. в линейном режиме. Количество витков в первичной обмотке первого трансформатора равно

где U_c напряжение сети, В;
f частота напряжения сети, Гц;
B_m магнитная индукция насыщения, Тл;
S сечение сердечника трансформатора, см²;
K₁ коэффициент, равный, например, 0,6, определяющий значение магнитной индукции, взятой от B_m, рабочая индукция;
K₂ коэффициент, например, равный 0,8, определяющий плотность заполнения железа сердечника.

В предлагаемом изобретении первичная обмотка первого трансформатора содержит число витков

При сравнении необходимо учесть, что в формулах есть неизменные по величине параметры, общие для обеих формул, это

К₁ для предлагаемого устройства равен 1, U_нас берем, например, 20 В. Отсюда видим, не задаваясь значениями f, B_m, S и K₂, что W U/K₁, тогда для известного устройства Для предлагаемого устройства т.е. в предлагаемом устройстве в обмотке первого трансформатора будет меньше витков в 13,7 раза, т. к. чем в известном.

Во вторичной обмотке первого трансформатора берем в известном и предлагаемом, например, U₂ 10 B, тогда в известном число витков во вторичной обмотке будет а в предлагаемом т. е. в известном устройстве число витков будет больше. Необходимо учесть, что во втором трансформаторе число витков опять должно быть больше, т.к. он работает в линейном режиме и число витков должно быть рассчитано из условия U_2max, тогда как в предлагаемом U′2

В отношении управляющего тока, проходящего через ключ управления, видим, что в известном устройстве ключ управления должен пропустить весь ток управления, а в предлагаемом часть тока проходит через сопротивление шунта. Это обеспечивает управление коммутирующим элементом, где сопротивление жидкости в цепи управляющего ключа большое. Сопротивление, шунтирующее ключ, подбирается таким образом, что при погружении электродов ключа в жидкость коммутирующий элемент возбуждается, а при извлечении электродов ключа из жидкости закрывается, отсекая цепь нагрузки от сети питания нагрузки.

Кроме того, благодаря тому, что сопротивление постоянно подключено параллельно ключу, перераспределение напряжения сети между трансформатором 6 и конденсатором более постоянно, а за счет того, что трансформатор 6 входит в насыщение при определенном напряжении, которое тоже постоянно, несмотря на изменение напряжения сети, сохраняется идентичное функционирование второго трансформатора и управляющего перехода, особенно при закрытом коммутирующем элементе, когда могут возникать перегрузки в цепи управляющего перехода. Число витков первичной обмотки первого трансформатора рассчитывают по формуле:

где U_нас напряжение насыщения выбранное (В);
f частота напряжение сети (Гц);
B_m индукция насыщения (Тл);
S фактическое сечение железа сердечника (см²).

При этом коммутирующий элемент управляется импульсами с частотой напряжения сети, но длительностью меньше полупериода напряжения сети.

Таким образом, из чертежа и описания видим, что предлагаемое устройство обеспечивает:
уменьшение габаритов трансформаторов;
исключение перегрузки цепи управляющего перехода коммутирующего элемента;
обеспечивается управление коммутирующим элементом, когда в цепи ключа управления применена электропроводная жидкость с повышенным электросопротивлением, что в конечном счете обеспечивает применение небольшого напряжения в цепи ключа управления;
обеспечивается относительно постоянное перераспределение напряжений между трансформатором и конденсатором, что увеличивает надежность, т.к. сохраняется постоянство напряжений, воздействующих на обмотки трансформаторов при изменении напряжений сети;
ключ управления стал проще и при обеспечении управляющего тока в управляющем переходе коммутирующего элемента необходимой величины он сам работает с определенным коэффициентом усиления, равным отношению тока, проходящего по сопротивлению, шунтирующему ключ управления I_ш, к току, проходящему через ключ управления

Устройство для управления коммутирующим элементом содержит первый трансформатор, первый выход первичной обмотки которого соединен с одним из силовых выводов коммутирующего элемента, а первичный выход вторичной обмотки соединен через ключ управления с первым выводом первичной обмотки второго трансформатора, выводы вторичной обмотки которого соединены с соответствующими управляющими выводами коммутирующего элемента, параллельно ключу управления включен резистор, другой силовой вывод коммутирующего элемента соединен с вторым выводом первичной обмотки первого трансформатора через конденсатор, а второй вывод первичной обмотки второго трансформатора соединен с вторым выводом вторичной обмотки первого трансформатора, первичная обмотка которого выполнена обеспечивающей насыщение сердечника. 1 ил.

Устройство для управления коммутирующим элементом, содержащее первый трансформатор, первый вывод первичной обмотки которого соединен с одним из силовых выводов коммутирующего элемента, а первый вывод вторичной обмотки соединен через ключ управления с первым выводом первичной обмотки второго трансформатора, выводы вторичной обмотки которого соединены с соответствующими управляющими выводами коммутирующего элемента, отличающееся тем, что введены конденсатор и резистор, включенный параллельно ключу управления, другой силовой вывод коммутирующего элемента соединен с вторым выводом первичной обмотки первого трансформатора через конденсатор, а второй вывод первичной обмотки второго трансформатора соединен с вторым выводом вторичной обмотки первого трансформатора, первичная обмотка которого выполнена обеспечивающей насыщение сердечника.