ЭЛЕКТРОННЫЙ КОММУТАТОР Российский патент 1998 года по МПК H01H9/56 

Настоящее изобретение относится к способу управления электронным коммутатором. Изобретение относится также к электронным коммутаторам.

Хорошо известны электронные коммутаторы, содержащие реле и подключенный параллельно полупроводниковый переключатель. Такие коммутаторы позволяют подключать нагрузку к сети без искры в момент, когда фаза напряжения переменного тока принимает нулевое значение, и, соответственно, отключать нагрузку без искрения в нулевой точке напряжения переменного тока. При подключении нагрузки к электрической сети полупроводниковый переключатель, например, симистор, включается в нулевой точке напряжения переменного тока, а затем после задержки включается выключатель реле. Соответственно, при отключении нагрузки от сети сначала выключается реле, а затем после задержки отключается управляющий сигнал полупроводникового переключателя, например симистора, при этом полупроводниковый переключатель отсоединяет нагрузку от электрической сети, предпочтительно, в нулевой точке фазы тока.

Недостатком настоящего электронного коммутатора и способа управления коммутатором является то, что со временем контактные точки выключателя реле загрязняются, что приводит к увеличению напряжения на замкнутом выключателе реле. Это связано с тем, что во время подключения и/или отключения напряжение на контактах выключателя реле составляет около 2 вольт. Этого напряжения недостаточно для очистки контактных точек выключателя реле, вследствие чего увеличивается напряжение на замкнутом выключателе. Повышенное напряжение приводит к тому, что полупроводниковый переключатель, например симистор, работает как включенный, хотя контакты выключателя реле замкнуты. Это в свою очередь приводит к перегреву и выходу из строя полупроводникового переключателя, например симистора.

Целью изобретения является создание нового способа управления электронным коммутатором и электронного коммутатора, которые позволяют устранить вышеупомянутые недостатки.

На нагрузку подается напряжение от сети переменного тока или соответствующего источника переменного тока с помощью электронного коммутатора и он же осуществляет отключение нагрузки от источника электроэнергии. Электронный коммутатор содержит электромагнитное реле и управляемый полупроводниковый переключатель, работающий в двух направлениях, например симистор, который подключен параллельно с выключателем реле. В способе согласно изобретению реле и полупроводниковый переключатель управляются таким образом, что при подключении нагрузки к источнику энергии сначала включается полупроводниковый переключатель в нулевой точке напряжения переменного тока, затем после задержки включается выключатель реле, а при отключении нагрузки от источника напряжения выключается выключатель реле, а затем после задержки отключается полупроводниковый переключатель в нулевой точке переменного тока. Согласно изобретению способ также содержит отключение полупроводникового переключателя вслед за включением выключателя реле, когда производится подключение нагрузки к источнику напряжения, а когда нагрузка отключается от источника напряжения полупроводниковый переключатель включается перед тем, как отключается выключатель реле.

Электронный коммутатор для подключения нагрузки к сети переменного тока или соответствующему источнику переменного тока и, соответственно, для отключения от сети согласно изобретению содержит электромагнитное реле и управляемый полупроводниковый переключатель, работающий в двух направлениях, например симистор, подключенный параллельно с выключателем реле, и блок управления для управления реле и полупроводниковым переключателем таким образом, что при подключении нагрузки к источнику энергии сначала осуществляется включение полупроводникового переключателя в нулевой точке переменного тока, а затем после задержки - выключателя реле, а при отключении нагрузки от источника сначала осуществляется отключение выключателя реле, а затем после задержки - полупроводникового переключателя в нулевой точке переменного тока. Согласно изобретению блок управления также содержит средство для выключения полупроводникового переключателя после включения выключателя реле при подключении нагрузки к источнику и средство для включения полупроводникового переключателя перед выключением выключателя реле при отсоединении нагрузки от источника. Блок управления может быть выполнен различными способами в виде логических схем управления, которые могут содержать например, микропроцессор или логический элемент НЕ, в сборке. Сам блок управления управляется с помощью простого переключателя.

В одном из вариантов выполнения электронный коммутатор содержит оптический ключ, показывающий нулевой угол фазы, для управления полупроводниковым переключателем. Предпочтительно, такой тип оптического ключа объединяет в одном элементе индикатор фазового угла напряжения переменного тока и переключатель, который дополнительно управляется оптически. Элемент такого вида позволяет исключить ряд элементов, используемых в электронном коммутаторе.

В другом варианте выполнения электронный коммутатор содержит колебательный контур, предпочтительно цепочку резистор-емкость (RC), источник опорного напряжения для формирования трех опорных напряжений и блок сравнения для сравнения управляющего напряжения в цепи колебательного контура (цепь, имеющая постоянную времени) с опорными напряжениями и для выполнения включения и отключения выключателя реле и полупроводникового переключателя в соответствующее время. Предпочтительно, чтобы управляющее напряжение было напряжением постоянного тока, причем это напряжение подавалось на управляющий вход блока управления, когда требуется подключить нагрузку к электрической сети с помощью электронного коммутатора. Таким образом, цепь с постоянной времени приводит к увеличению внутреннего управляющего напряжения почти до максимального уровня при определении постоянной времени цепи и превосходит уровни опорных напряжений. Когда внутреннее управляющее напряжение превосходит заданные уровни опорных напряжений, сначала включается полупроводниковый переключатель, затем выключается выключатель реле и в заключение - выключается полупроводниковый переключатель. Соответственно, при отключении нагрузки управляющее напряжение вызывает обратную последовательность действий.

В одном из вариантов воплощения электронного коммутатора блок сравнения содержит три компаратора напряжений, первый и третий из которых используются для управления полупроводниковым переключателем, а второй компаратор напряжений используется для управления реле.

В другом варианте электронного коммутатора первый компаратор напряжений содержит полевой транзистор, пороговое напряжение которого используется в качестве первого опорного напряжения, с которым сравнивается управляющее напряжение, поступающее с цепи, имеющей постоянную времени. В результате, полупроводниковый переключатель включается, когда нагрузка подсоединяется к источнику энергии, и отключается, когда нагрузка отсоединяется от источника энергии. Третий компаратор напряжений подключен последовательно перед полевым транзистором для отключения полупроводникового переключателя после того, как нагрузка подсоединяется через выключатель реле к источнику электроэнергии, и включения полупроводникового переключателя перед отсоединением выключателя реле и нагрузки от источника электроэнергии. Таким образом, первый компаратор напряжений предназначен для включения полупроводникового переключателя, в то время как следующий, третий компаратор напряжений предназначен, соответственно, для последующего отключения полупроводникового переключателя после того, как включится реле и нагрузка через выключатель реле подключится к электрической сети.

В одном из вариантов электронного коммутатора источник опорного напряжения содержит резисторную цепь для формирования первого и третьего опорных напряжений из заданного напряжения постоянного тока. Это простой и эффективный способ получения нескольких опорных напряжений.

Преимущество изобретения состоит в том, что можно менять выключатель реле и благодаря этому избегать неприятностей, связанных с использованием реле. Кроме того, преимущество изобретения заключается в том, что электронный коммутатор содержит управляемый полупроводниковый переключатель, работающий в двух направлениях, например симистор, соединенный параллельно с выключателем реле, причем полупроводниковый переключатель находится во включенном состоянии только во время переключений, т.е. когда переключатель включается или выключается. Поэтому полупроводниковый переключатель, например симистор, не будет перегреваться и в соответствии с известным способом будет производиться самоочистка контактных точек выключателя реле.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом выполнения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает блок-схему электронного коммутатора согласно изобретению
фиг. 2 изображает управляющие сигналы и сетевое напряжение, подаваемое на нагрузку, согласно изобретению;
фиг. 3 изображает блок-схему другого варианта электронного коммутатора, согласно изобретению;
фиг. 4 изображает уровни напряжений в различных точках электронного коммутатора, изображенного на фиг. 3, согласно изобретению;
фиг. 5 изображает электрическую схему электронного коммутатора.

Электронный коммутатор содержит электромагнитное реле 1 (фиг. 1) имеющее управляющую катушку 1a и выключатель 1b. Управляемый полупроводниковый двусторонний переключатель, например симистор, подключен параллельно с выключателем 1b реле. Контакты электронного коммутатора обозначены L₁ и L₂. Один контакт подключен к электрической сети, а другой - к нагрузке (не показана). Блок 3 управления используется для управления электронным коммутатором, в частности реле 1 и полупроводниковым переключателем 2.

Электронный коммутатор работает следующим образом.

Реле 1 (фиг. 2) электронного коммутатора и полупроводниковый переключатель 2 управляются с помощью блока 3 управления таким образом, что управляющий сигнал T₀ сначала включает полупроводниковый переключатель 2 в момент времени t_a, соответствующий нулевой точке фазы сетевого тока. В этой точке нагрузка подключается к сети переменного тока. После задержки в момент времени t_c на управляющую катушку 1b реле подается управляющий сигнал R₀, посредством чего включается выключатель 1b реле. Полупроводниковый переключатель 2 выключается в момент времени t_c, т.е. после того, как выключатель 1b реле 1 включен при отсутствии управляющего сигнала T₀. Таким образом, переменный ток протекает через нагрузку сначала через проводящий полупроводниковый переключатель, а затем включается реле и отключается полупроводниковый переключатель, и после t_b ток протекает только через выключатель 1b реле 1.

Когда нагрузка отключается от сети переменного тока, полупроводниковый переключатель 2 сначала включается при подаче управляющего сигнала T₀ в момент времени t_d. Вслед за этим после задержки управляющий сигнал R₀ снимается в момент t_e с управляющей катушки 1a реле 1, в результате чего выключатель 1b реле выключается. Затем в момент t_f полупроводниковый переключатель 2 отключается в нулевой точке фазы сетевого тока при снятии управляющего сигнала T₀. При этом нагрузка отключается от электрической сети. В результате, сетевой ток в нагрузку поступает сначала через выключатель 1b реле 1, затем через выключатель реле и полупроводниковый переключатель и, наконец, только через полупроводниковый переключатель перед отключением нагрузки от электрической сети. Нагрузка находится под напряжением от момента времени t_a до t_f.

Другой вариант воплощения электронного коммутатора согласно изобретению показан на фиг. 3. Электронный коммутатор также содержит электромагнитное реле 1, имеющее управляющую катушку 1a и выключатель 1b. Управляемый двусторонний полупроводниковый переключатель 2, например симистор, соединен параллельно с выключателем 1b реле. Контакты электронного коммутатора обозначены L₁ и L₂. Один выход подсоединен к электрической сети, а другой - к нагрузке (не показана). Блок 3 управления предназначен для управления электронным коммутатором, а, по существу, реле 1 и полупроводниковым переключателем 2.

В этом варианте электронного коммутатора блок 3 управления содержит оптический ключ 4, указывающий на нулевой угол фазы, для управления полупроводниковым переключателем 2. Оптический ключ 4 содержит световой излучатель 4a, например LED, световой индикатор 4b и индикатор 4c нулевого угла фазы. Блок 3 управления дополнительно содержит цепь 5, имеющую постоянную времени, например RC-цепочку, источник 6 опорного напряжения для формирования трех напряжений U₁, U₂, U₃ и блок 7 сравнения, включающий компараторы напряжений 8, 9, 10. Компараторы напряжений 8, 9 и 10 блока сравнения 7 используются для сравнения управляющего напряжений U_in, поступающего через цепь 5 с постоянной времени, с опорными напряжениями U₁, U₂ и U₃. Первый и второй компараторы напряжений 8, 10 используются для управления полупроводниковым переключателем 2 через оптический ключ 4, а второй компаратор напряжений 9 используется для управления реле 1, т.е. выключателем 1b реле, через управляющую катушку 1a.

Работа электронного коммутатора, показанного на фиг. 3, осуществляется следующим образом.

Управляющее напряжение U₀ подается на управляющий вход U_in блока 3 управления в момент времени t₀. Управляющее напряжение U₀ представляет собой напряжение постоянного тока требуемого уровня, составляющее малую часть сетевого напряжения. На выходе цепи 5 с постоянной времени внутреннее управляющее напряжение U₀₅ увеличивается относительно медленно. На один из входов каждого компаратора напряжений 8, 9 и 10 подается внутреннее управляющее напряжение U₀₅, которое сравнивается в первом компараторе 8 напряжений с напряжением U₁ и во втором компараторе 9 напряжений с напряжением U₂, которое выше, чем U₁, а в третьем компараторе напряжений 10 оно сравнивается с напряжением U₃, которое выше, чем U₂. Когда внутреннее управляющее напряжение U₀₅ увеличивается до уровня U₁ за время t₁, выходное напряжение U₀₁ компаратора 8 напряжений увеличивается до заданного уровня и на оптический ключ подается управляющее напряжение.

Световой излучатель 4a начинает испускать оптическое излучение, которое регистрируется световым индикатором 4b. Индикатор нулевой фазы 4c регистрирует ближайшую нулевую фазу сетевого напряжения U_u в момент t₂ и затем подает подходящий управляющий сигнал на вход полупроводникового переключателя 2, при этом полупроводниковый переключатель включается. Таким образом, ток начинает протекать через полупроводниковый переключатель 2 и нагрузка подключается к электрической сети, а нагрузка оказывается под напряжением сети.

Внутреннее управляющее напряжение продолжает постоянно увеличиваться и достигает величины опорного напряжения U₂ в момент t₃. При этом на выходе компаратора 9 напряжений возникает управляющее напряжение U₀₂ и управляющий ток поступает в управляющую катушку 1a реле 1. Реле 1 срабатывает и его выключатель 1b замыкается. В результате, выключатель 1b и полупроводниковый переключатель 2 находятся во включенном положении.

Внутреннее управляющее напряжение U₀₅ продолжает увеличиваться и становится равным опорному напряжению U₃ в момент t₄. При этом компаратор 10 напряжений подает управляющее напряжение U₀₃ на оптический ключ 4. Управляющее напряжение U₀₅ меняет полярность управляющего напряжения U₀₁ оптического ключа 4, вследствие чего оптический излучатель оптического ключа 4 прекращает испускать оптическое излучение и на вход полупроводникового переключателя больше не поступает управляющий сигнал. Полупроводниковый переключатель в момент времени t₄ отключается. Вследствие этого ток протекает в нагрузку только через выключатель 1b реле 1.

Когда происходит отключение нагрузки от сети, управляющее напряжение U₀, которое подается на блок 3 управления, прерывается и управляющий выход U_in заземляется в момент t₅ (фиг. 4). Сразу после этого цепь 5 с постоянной времени вызывает уменьшение внутреннего управляющего напряжения U₀₅ до нуля. В момент t₆ управляющее напряжение U₀₅ уменьшается ниже опорного напряжения U₃, что приводит к тому, что выходное напряжение U₀₃ компаратора 10 напряжений падает и оптический ключ 4 опять выдает свой управляющий сигнал U₀₁. В результате, полупроводниковый переключатель 2 опять включается в момент t₆.

Внутреннее управляющее напряжение U₀₅ продолжает уменьшаться и в момент t₇ оно становится равным опорному напряжению U₂, что приводит к падению до нуля выходного напряжения U₀₂ компаратора 9 напряжений, т.е. управляющего напряжения реле. Это приводит к размыканию выключателя 1b реле 1. Нагрузка, тем не менее, остается подключенной к электрической сети через полупроводниковый переключатель 2.

Внутреннее управляющее напряжение U₀₅ продолжает уменьшаться и становится равным опорному напряжению U₁ в момент времени t₈. Выходное напряжение U₀₁ компаратора напряжений 8 становится равным нулю. Это приводит к выключению оптического излучателя 4c оптического ключа 4. Однако детектор нулевой точки 4c и полупроводниковый переключатель 2 все еще находятся во включенном положении и прекращают проводить в следующей нулевой точке t₉ ток I_V, протекающий через нагрузку. Таким образом отключается полупроводниковый переключатель 2, а в связи с этим также отключается от электрической сети нагрузка. Электронный коммутатор теперь находится в исходном состоянии и готов к следующему соединению.

На фиг. 5 представлена электрическая схема электронного коммутатора согласно изобретению. Цепь 5 с постоянной времени содержит резистор 5a и емкость 5b. Первый компаратор напряжений 8 содержит полевой транзистор 11, пороговое напряжение U_n которого используется в качестве первого опорного напряжения U₁. Третий компаратор напряжений 10 соединен последовательно с полевым транзистором 11 на выходной стороне транзистора. Источник опорного напряжения 6 содержит источник напряжения постоянного тока, с которого снимается заданное напряжение U_c, и цепочку резисторов 12, 13, 14 для формирования второго и третьего опорных напряжений U₂, U₃.

Электронный коммутатор работает так, как описано выше.

Тем не менее, далее со ссылкой также на фиг. 4 коротко описана работа этого электронного коммутатора.

Когда управляющее напряжение U₀ подается на вход блока 3 управления, емкость 5b начинает заряжаться и на ней начинает расти напряжение U₀₅. Когда напряжение на емкости увеличивается настолько, что оно превышает пороговое напряжение U_n = U₁ полевого транзистора 11, полевой транзистор 11 включается. На оптический ключ 4 поступает напряжение и он включается, т.е. включается полупроводниковый переключатель 2 в ближайшей нулевой точке фазы сетевого напряжения. Когда напряжение U₀₅ на емкости 5b далее увеличивается до уровня опорного напряжения U₂, включается реле 1. Когда напряжение U₀₅ на емкости 5b увеличивается до опорного напряжения U₃, управляющий сигнал на оптическом ключе отсутствует и полупроводниковый переключатель отключается, т.е. отсоединяется. Тогда нагрузка подключена к электрической сети через выключатель 1b реле 1. Соответственно, когда управляющее напряжение U₀ зануляется, напряжение U₀₅ на емкости 5b начинает уменьшаться и вышеописанная последовательность соединений (фиг. 4) повторяется в обратном порядке.

Изобретение не ограничивается вышеупомянутыми вариантами его осуществления.

Изобретение относится к электронному коммутатору. Электронный коммутатор содержит электромагнитное реле и управляемый двусторонний полупроводниковый переключатель, например симистор, соединенный параллельно с выключателем реле, а также блок управления для управления реле и полупроводниковым переключателем так, чтобы при подключении нагрузки к источнику энергии сначала включается полупроводниковый переключатель в нулевой точке напряжения переменного тока, затем после задержки включается выключатель реле, а при отключении нагрузки от источника энергии вначале выключается выключатель реле, а затем после задержки выключается полупроводниковый переключатель в нулевой точке переменного тока. Согласно изобретению блок управления также содержит средство для выключения полупроводникового переключателя после включения выключателя реле при подсоединении нагрузки к источнику энергии и для включения полупроводникового переключателя перед отключением выключателя реле при отключении нагрузки от источника энергии. Это позволяет повысить долговечность контактов реле. 3 з.п. ф-лы. 5 ил.

1. Электронный коммутатор для подключения и отключения нагрузки от сети переменного тока, содержащий электромагнитное реле и управляемый двусторонний полупроводниковый переключатель, например симистор, соединенный параллельно выключателю реле, и блок управления, обеспечивающий при подключении нагрузки к сети переменного тока включение полупроводникового переключателя в нулевой точке напряжения сети переменного тока и через временную задержку включение выключателя реле, а при отключении нагрузки от сети переменного тока выключение выключателя реле и через временную задержку отключение полупроводникового переключателя в нулевой точке напряжения сети переменного тока, отличающийся тем, что блок управления содержит цепь, имеющую постоянную времени, предпочтительно цепь резистор - емкость, источник опорного напряжения для формирования трех опорных напряжений U₁, U₂ и U₃ и блок сравнения, имеющий три компаратора напряжения, каждый из которых предназначен для сравнения управляющего напряжения, поступающего на один из входов блока сравнения с соответствующим опорным напряжением, и для формирования на его выходах сигналов, управляющих включением и выключением выключателя реле и полупроводникового переключателя в определенное время, при этом три компаратора напряжений подключены так, что первый компаратор напряжения обеспечивает включение полупроводникового переключателя при подключении
нагрузки к сети переменного тока и отключение его при отключении нагрузки от сети переменного тока, второй компаратор напряжения обеспечивает включение и выключение выключателя реле, третий компаратор напряжения обеспечивает отключение полупроводникового переключателя после подключения нагрузки к сети переменного тока через выключатель реле и выключение полупроводникового переключателя перед отключением выключателя реле в режиме отключения нагрузки от сети переменного тока. 2. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что первый компаратор напряжения содержит полевой транзистор, пороговое напряжение которого используется в качестве первого опорного напряжения, при этом выход третьего компаратора напряжения соединен последовательно с выходом полевого транзистора. 3. Коммутатор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что источник опорного напряжения содержит резисторную цепь для формирования второго и третьего опорных напряжений из заданного напряжения постоянного тока. 4. Коммутатор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что блок управления содержит оптический ключ, указывающий нулевой фазовой угол переменного тока для управления полупроводниковым переключателем.