ТРЕХФАЗНЫЙ КОММУТАТОР Российский патент 2002 года по МПК H03K17/72 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для включения и отключения трехфазной нагрузки.

Известно тиристорное выходное устройство переменного тока (1), содержащее два встречно-параллельно включенных тиристора, последовательно-согласно с каждым из которых включен диод, причем к точкам соединения тиристоров и диодов через токоограничивающий резистор подключен источник напряжения смещения.

Недостатками этого устройства являются усложненность схемы управления, требующая вспомогательный источник питания постоянного тока, применимость его лишь для однофазной нагрузки.

Известен бесконтактный коммутатор трехфазных цепей (2), содержащий исполнительный орган, выполненный на встречно-параллельно включенных тиристорах и диодах, два трансформатора, блок управления на встречно включенных диодах и транзисторе и диодно-резисторные цепочки, причем трансформаторы выполнены трехфазными, первичные обмотки одного из них соединены в треугольник и подсоединены ко входу коммутатора, вторичные обмотки соединены в звезду и подключены к началам первичных обмоток другого трехфазного трансформатора, концы которых подключены к общим точкам встречно-включенных диодов управляющего блока, конец вторичной обмотки фазы А второго трехфазного трансформатора соединен через диодно-резисторную цепочку с управляющим электродом тиристора фазы С исполнительного органа, аналогичным образом конец вторичной обмотки фазы В соединен с управляющим электродом тиристора фазы А, конец вторичной обмотки фазы С соединен с управляющим электродом тиристора фазы В, а начала этих обмоток соединены с выходом коммутатора.

Недостатком этого коммутатора является усложненность схемы управления вследствие наличия двух трехфазных трансформаторов и блока управления, тепловые потери в управляющих переходах силовых тиристоров, необходимость в применении относительно сильноточного ключа управления, поскольку через него протекает (с учетом коэффициента трансформации второго трехфазного трансформатора) суммарный ток управляющих переходов силовых тиристоров. Все это снижает надежность устройства.

Известен также тиристорный коммутатор (3), содержащий в каждой коммутируемой фазе силовой тиристор и силовой диод, у которых точка соединения анода силового диода с катодом силового тиристора соединена с входной шиной фазы, а точка соединения катода силового диода с анодом силового тиристора - с выходной шиной, первый, второй и третий диоды, катоды которых соединены с управляющими электродами силовых тиристоров каждой фазы соответственно, а аноды - с первым выводом ключа управления, четвертый, пятый и шестой диоды, первый, второй, третий резисторы и стабилитрон, причем стабилитрон подключен анодом к второму выводу ключа управления, а катодом - к анодам четвертого, пятого и шестого диодов и первым выводом первого, второго и третьего резисторов, точка соединения катода четвертого диода с вторым выводом первого резистора подключена к выходной клемме первой фазы, точка соединения катода пятого диода и второго вывода второго резистора - к выходной клемме второй фазы, точка соединения катода шестого диода и второго вывода третьего резистора - к выходной клемме третьей фазы.

Недостатком коммутатора при всей простоте его схемы управления является отставание переднего фронта управляющего импульса от анодного напряжения тиристора данной фазы на угол что влечет за собой появление в нагрузке отсечки напряжения в 30 эл. град.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является трехфазный тиристорный коммутатор (4)(прототип), содержащий встречно-параллельно включенные управляемые и неуправляемые вентили в каждой фазе и блок управления, выполненный в виде трехфазного диодного выпрямителя, выход которого через управляющий ключ, резисторы и разделительные диоды подключен к управляющим электродам вентилей, причем блок управления снабжен включенными в цепи управляющих электродов вентилей пороговыми элементами и дополнительными диодами, шунтирующими переход управляющий электрод-анод вентилей.

Недостатком известного коммутатора является необходимость в применении относительно сильноточного ключа управления, поскольку через него протекает суммарный ток управляющих переходов тиристоров, относительно высокий уровень коммутационных помех, поскольку для включения тиристора помимо управляющего импульса достаточной крутизны и амплитуды необходима также и определенная амплитуда анодного напряжения, при которой через него начнет протекать ток включения. Все это снижает надежность устройства, приводит к появлению внутренних шумов устройства во включенном состоянии.

При создании изобретения решалась задача по повышению надежности, снижению уровня коммутационных помех во включенном состоянии коммутатора, более полной передачи напряжения сети в нагрузку.

Существенное отличие предлагаемого коммутатора заключается в том, что в трехфазный коммутатор, содержащий в каждой коммутируемой фазе силовой тиристор, соединенный катодом с анодом силового диода, первый, второй и третий диоды, соединенные катодами через пороговые элементы, включенные с ними встречно-последовательно, с управляющими электродами силовых тиристоров каждой фазы, а анодами - для первой и третьей фазы - с первыми выводами ограничительных резисторов, четвертый, пятый и шестой диоды, соединенные катодами с анодом соответствующего силового тиристора, а анодами - с первыми выводами ограничительных резисторов фаз, и управляющий ключ, в силовую цепь каждой фазы введен дополнительный диод, соединенный катодом с анодом силового тиристора, подключенного, в свою очередь, катодом к выходной шине коммутатора, а анодом - с катодом силового диода и клеммой для подключения фазы сети, анод второго диода второй фазы через управляющий ключ подсоединен к первому выводу ограничительного резистора, подключенного вторым выводом к входной шине предыдущей - первой - фазы, вторые выводы ограничительных резисторов первой и третьей фазы подключены к выходным шинам третьей и второй фазы соответственно.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в разработке коммутатора, у которого через управляющий ключ протекает существенно сниженный ток, причем импульсный и одного из тиристоров (включение силовых тиристоров других фаз происходит после включения соответствующего тиристора предыдущей фазы); включение силовых тиристоров происходит ранее появления на их анодах положительного потенциала, что существенно снижает уровень коммутационных помех во включенном состоянии и позволяет более полно передать в нагрузку напряжение сети.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Коммутатор содержит в каждой коммутируемой фазе А (В, С) силовой тиристор 1 (2, 3), соединенный катодом с анодом силового диода 4 (5, 6), дополнительный диод 7 (8, 9), соединенный катодом с анодом силового тиристора 1 (2, 3), подключенного, в свою очередь, катодом к выходной шине 10 (11, 12) коммутатора, а анодом - с катодом силового диода 4 (5, 6) и клеммой для подключения фазы А (В, С) сети; первый 13, второй 14 и третий 15 диоды, соединенные катодами через пороговые элементы 16, 17, 18, включенные с ними встречно-последовательно, с управляющими электродами силовых тиристоров каждой фазы, а анодами - для первой и третьей фазы - с первыми выводами ограничительных резисторов 19, 20, и - для второй фазы - через управляющий ключ 21 - с первым выводом ограничительного резистора 22, подключенного вторым выводом к предыдущей - первой - фазе А, вторые же выводы ограничительных резисторов 19, 20 первой (А) и третьей (С) фазы подключены соответственно к выходным шинам 12, 11 третьей и второй фазы соответственно; четвертый 23, пятый 24 и шестой 25 диоды, соединенные катодами с анодом соответствующего силового тиристора 1, 2, 3, а анодами - с первыми выводами ограничительных резисторов 19, 22 и 20.

Коммутатор работает следующим образом.

В исходном состоянии управляющий ключ 21 разомкнут, управляющий переход силового тиристора 2 разобщен, тиристор 2 закрыт, управляющие переходы силовых тиристоров 1 и 3 также разобщены, тиристоры закрыты, и в цепи нагрузки ток отсутствует. При замыкании управляющего ключа 21, например, в момент времени по цепи фаза А, ограничительный резистор 22, управляющий ключ 21, второй диод 14, пороговый элемент 17, управляющий переход силового тиристора 2, силовой диод 5, фаза В протекает ток, открывающий тиристор 2, после его открывания по цепи фаза А, ограничительный резистор 22, пятый диод 24, силовой тиристор 2, силовой диод 5, фаза В течет ток (до ), минуя цепь, состоящую из управляющего ключа 21, второго диода 14, порогового элемента 17 и управляющего перехода тиристора. В момент времени когда потенциал фазы В становится положительным, в нагрузке появляется ток, текущий по цепи фаза В, дополнительный диод 8, силовой тиристор 2, нагрузка, силовой диод 6, фаза С (при этом по цепи фаза А, ограничительный резистор 22, пятый диод 24, дополнительный диод 8, смещенный током нагрузки в прямом направлении, фаза В протекает ток, также минующий цепь управляющего перехода тиристора 2, до момента времени . С появлением на аноде силового тиристора 2 положительной полуволны напряжение по цепи фаза В, дополнительный диод 8, силовой тиристор 2, ограничительный резистор 20, третий диод 15, пороговый элемент 18, управляющий переход силового тиристора 3, силовой диод 6 начинает протекать ток, открывающий тиристор 3, далее происходят процессы, аналогичные с процессами в фазе В (включение силового тиристора 1 происходит с появлением положительной полуволны напряжения на аноде силового тиристора 3 в фазе С).

Таким образом, включение силовых тиристоров 1, 2, 3 происходит ранее появления на их анодах положительного потенциала, что позволяет избежать коммутационных помех при каждом очередном подключении нагрузки к сети, дополнительные диоды 7, 8, 9 позволяют осуществить эту операцию.

Для отключения устройства размыкается управляющий ключ 21, закрывается тиристор 2 и далее тиристоры 3 и 1 соответственно.

В сравнении с прототипом заявленный трехфазный коммутатор отличается существенно меньшим током, протекающим через управляющий ключ, возможностью реализовать его в бесконтактном варианте, более полной передачей напряжения сети в нагрузку, что повысило надежность коммутатора и снизило внутренние шумы коммутатора во включенном состоянии.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 485561, Н 03 К 17/56, 1976 г.

2. Авторское свидетельство СССР 673667, Н 03 К 17/56, 1979 г.

3. Патент РФ 2020742, Н 03 К 17/72, 1992 г.

4. Авторское свидетельство СССР 760329, Н 02 М 1/08, 1980 г. (прототип).

Коммутатор содержит в каждой коммутируемой фазе А (В, С) силовой тиристор, соединенный катодом с анодом силового диода, дополнительный диод, соединенный катодом с анодом силового тиристора, подключенного, в свою очередь, катодом к выходной шине коммутатора, а анодом - с катодом силового диода и клеммой для подключения фазы А (В, С) сети; первый, второй и третий диоды, соединенные катодами через пороговые элементы, включенные с ними встречно-последовательно, - с управляющими электродами силовых тиристоров каждой фазы, а анодами - для первой и третьей фазы - с первыми выводами ограничительных резисторов и - для второй фазы - через управляющий ключ - с первым выводом ограничительного резистора, подключенного вторым выводом к предыдущей - первой - фазе А, вторые же выводы ограничительных резисторов первой (А) и третьей (С) фазы подключены к выходным шинам третьей и второй фазы соответственно; четвертый, пятый и шестой диоды, соединенные катодами с анодом соответствующего силового тиристора, а анодами - с первыми выводами ограничительных резисторов. Технический результат: существенно меньший ток, протекающий через управляющий ключ, возможность реализации его в бесконтактном варианте, более полная передача напряжения сети в нагрузку, более низкие внутренние шумы коммутатора во включенном состоянии. 1 ил.

Трехфазный коммутатор, содержащий в силовой цепи каждой коммутируемой фазы силовой тиристор, соединенный катодом с анодом силового диода, первый, второй и третий диоды первой, второй и третьей фазы соответственно, соединенные катодами через соответствующие пороговые элементы, включенные с ними встречно-последовательно, с управляющими электродами силовых тиристоров соответствующей фазы, а анодами - для первой и третьей фазы - с первыми выводами ограничительных резисторов; четвертый, пятый и шестой диоды первой, второй и третьей фазы соответственно, соединенные катодами с анодами соответствующих силовых тиристоров, а анодами - с первыми выводами ограничительных резисторов первой, второй и третьей фазы, соответственно, и управляющий ключ, отличающийся тем, что в силовую цепь каждой фазы введен дополнительный диод, соединенный катодом с анодом соответствующего силового тиристора, подключенного катодом к выходной шине соответствующей фазы, а анодом - к катоду соответствующего силового диода и клемме для подключения соответствующей фазы сети, анод второго диода второй фазы через управляющий ключ подсоединен к первому выводу ограничительного резистора второй фазы, подключенного вторым выводом к клемме для подключения первой фазы сети, вторые выводы ограничительных резисторов первой и третьей фазы подключены к выходным шинам третьей и второй фаз соответственно.