ЭЛЕКТРОННЫЙ КОММУТАТОР ДЛЯ БЫСТРОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕАГИРОВАНИЯ НА ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ Российский патент 2003 года по МПК H01H73/00 H01H47/00 

Изобретение относится к электронному коммутатору, а более конкретно к электронному коммутатору, сконструированному для быстрого автоматического рефлекторного вида отклика на перегрузки по току.

Уровень техники
В известной области техники широко используются три типа электронных коммутаторов. Первый тип представляет реле. Второй тип представляет полупроводник. Тогда как третий тип представляет как реле, так и полупроводник, подключенные параллельно. Каждый из этих коммутаторов имеет характерные недостатки.

Из-за его высокого сопротивления в процессе эксплуатации полупроводник электронных коммутаторов на основе полупроводников потребляет большое количество энергии, тепла и, следовательно, требует наличия радиатора для рассеяния тепла, выделяемого в процессе службы.

Более того, блок управления (ЦП - центральный процессор) такого полупроводника недостаточно быстродействующий для непосредственно монитора и для реагирования на внезапное возрастание токовой нагрузки, которая может привести к повреждению собственно полупроводника и/или других компонентов схемы. Типичное время реагирования находится в пределах 20-30 миллисекунд.

Реле переключателей на основе реле сконструировано для поддержания высоких токовых нагрузок, связанных, например, с коротким замыканием в схеме, и, следовательно, является громоздким и неудобным.

Как упоминалось, блок управления (ЦП) такого реле недостаточно быстродействующий непосредственно для монитора и для реагирования на внезапное возрастание токовой нагрузки, которое может привести к повреждению самого реле и/или других компонентов схемы. Типичное время реагирования находится в пределах 20-30 миллисекунд.

Более того, с замыканием/размыканием контактов реле связано образование искрения, что вызывает постепенное повреждение переключателя, которое приводит к низкой точности воспроизводства схемы.

При условиях высокой перегрузки по току (например, ток короткого замыкания) искрение высвобождает огромное количество тепла, которое может привести к оплавленным контактам, а в некоторых случаях даже к загоранию и полному разрушению переключателя.

В коммутаторах с комбинацией реле-полупроводник проблема искрения решена при нормальных условиях обслуживания, однако, ЦП этих компонентов сталкивается с серьезной проблемой мониторинга рабочего состояния (включено или отключено) реле и/или полупроводника, поскольку они подключены параллельно. Только когда обе эти компоненты находятся в состоянии отключения, ЦП может гарантировать, что такой случай имеет место на самом деле.

Медленный мониторинг оказывает влияние на длительность контроля и увеличивает время, требуемое для принятия релений и отклика. Это, в свою очередь, является главным недостатком в случаях перегрузки по току, которая может повредить коммутатор или другие компоненты схемы. Типичное время реагирования находится в пределах 20-30 миллисекунд.

Таким образом, общим недостатком, связанным со всеми тремя известными коммутаторами, является задержка реагирования на внезапное и неожиданное возрастание токовой нагрузки, когда латентное реагирование может привести к повреждению схемы из-за повышения токовой нагрузки.

Понятно, что когда длительность, в течение которой реле и/или полупроводник подвергнуты перегрузке по току, сокращается, возникающее потребление является меньшим, тем самым снижается степень повреждения.

В результате существует очевидная необходимость, и это было бы большим преимуществом, иметь электронный коммутатор, сконструированный для быстрого и автоматического реагирования на перегрузки по току.

Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением создан электронный коммутатор, сконструированный для быстрого рефлекторного вида автоматического реагирования на перегрузки по току.

В соответствии с другими особенностями предпочтительных вариантов изобретения, описанных ниже, создана схема электронного коммутатора для контроля главной цепи, имеющей источник питания и нагрузку, причем схема электронного коммутатора содержит электромагнитный релейный прибор, имеющий электромагнит и, по меньшей мере, два контакта, причем электромагнитный релейный прибор подключен последовательно с источником питания и нагрузкой главной цепи, управляемый полупроводниковый прибор, составляющий часть схемы электронного коммутатора, полупроводниковую командную цепь, подключенную к полупроводниковому прибору, причем полупроводниковая командная цепь служит для контроля работы управляемого полупроводникового прибора, релейную командную цепь, подключенную к электромагниту электромагнитного релейного прибора и к полупроводниковой командной цепи, причем релейная командная цепь служит для контроля релейного прибора и полупроводниковой командной цепи, датчик перегрузки, служащий для определения токовой нагрузки через главную цепь и для информирования релейной командной цепи о перегрузке по току, и резистор, подключенный последовательно с управляемым полупроводниковым прибором, причем резистор и управляемый полупроводниковый прибор соединены параллельно с электромагнитным релейным прибором. Когда контакты релейного прибора разомкнуты, резистор, который тем самым испытывает повышенную токовую нагрузку, автоматически сигнализирует полупроводниковой командной цепи, в свою очередь, отключает управляемый полупроводниковый прибор.

Согласно еще одним особенностям описанных предпочтительных вариантов схема электронного коммутатора далее содержит индуктор, подключенный последовательно с нагрузкой, причем индуктор размещен в непосредственной близости от электромагнита электромагнитного релейного прибора. Когда индуктор испытывает токовую нагрузку выше заранее определенного порога, он вырабатывает поле электромагнитной индукции с амплитудой, достаточной для принуждения электромагнита электромагнитного релейного прибора разомкнуть контакты.

Согласно еще одним особенностям описанных предпочтительных вариантов, когда контакты релейного прибора разомкнуты, резистор, который тем самым испытывает повышенную токовую нагрузку, автоматически сигнализирует полупроводниковой командной цепи, которая, в свою очередь, отключает управлемый полупроводниковый прибор в пределах около четырех миллисекунд.

Согласно еще одним особенностям описанных предпочтительных вариантов заранее определенный порог превышает примерно 50 ампер.

Согласно еще одним особенностям описанных предпочтительных вариантов заранее определенный порог превышает примерно 100 ампер.

Согласно еще одним особенностям описанных предпочтительных вариантов, когда индуктор испытывает токовую нагрузку выше заранее определенного порога, он вырабатывает поле электромагнитной индукции, достаточное для принуждения электромагнита электромагнитного релейного прибора разомкнуть контакты в пределах около двух миллисекунд.

Согласно еще одним особенностям описанных предпочтительных вариантов создан электронный коммутатор, содержащий любую описанную здесь схему.

Настоящее изобретение успешно устраняет недостатки известных в настоящее время конструкций путем создания электронного коммутатора, сконструированного для быстрого и автоматического реагирования на перегрузки по току, который может быть использован для получения почти мгновенного незамедлительного автоматического рефлекторного вида реагирования на внезапное и неожиданное повышение токовой нагрузки.

Перечень фигур чертежей
Изобретение описано с помощью примера со ссылками на чертеж, где представлен структурный вид схемы, используемой в электронном коммутаторе согласно изобретению.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Изобретение представляет электронный коммутатор, сконструированный для быстрого автоматического рефлекторного вида реагирования на перегрузки по току, который может быть использован для обеспечения в основном мгновенного, без задержек, (например, менее 10, предпочтительно около 6 миллисекунд) автоматического реагирования на внезапное и неожиданное повышение токовой нагрузки. Конкретно изобретение может быть использовано для создания коммутатора с высокой воспроизводимостью, безопасностью и особенностями самозащиты.

Принципы и работа электронного коммутатора согласно изобретению будут более понятны со ссылками на чертеж и сопровождающее описание. Чертеж иллюстрирует схему электронного коммутатора, используемую в электронном коммутаторе согласно изобретению, которая обозначена ниже как схема 10.

Таким образом, схема 10 электронного коммутатора служит для контроля главной цепи 12, которая содержит источник (V) 14 питания (например, сеть) и нагрузку 16 (например, любой электрически функционирующий прибор, имеющий внутреннее сопротивление).

Схема 10 электронного коммутатора содержит электромагнитный релейный прибор 18. Релейный прибор 18 содержит электромагнит 20 и по меньшей мере два контакта 21, действующих под влиянием магнитного поля, образуемого электромагнитом 20.

Электромагнитный релейный прибор 18 соединен последовательно с источником 14 питания и нагрузкой 16 главной цепи 12, как хорошо известно в данной области техники. Подходящий электромагнитный релейный прибор поставлен фирмой РЕМЕ из Италии (Каталог N MZPA001-44-16).

Схема 10 электронного коммутатора далее содержит управляемый полупроводниковый прибор 22. Прибор 22 соединен со схемой 10 и функционирует, как описано ниже.

Управляемый полупроводниковый прибор, подходящий для применения в схеме 10, описан в работе "MOTOROLA THITYSTOR DEVICE DATA" (Q2/95; DL 137/D; REV 6), опубликованной фирмой MOTOROLA, на странице 1.6-46, фигура 6.87. Другие подходящие приборы поставляются фирмой MOTOROLA. Например, Каталог N MAC223A6(FP) для 400 В переменного тока; 25 А и Каталог N MAC224A6(FP) для 400 В переменного тока; 40 А.

Схема 10 электронного коммутатора далее содержит полупроводниковую командную цепь 24. Командная цепь 24 соединена с полупроводниковым прибором 22 и служит для контроля работы управляемого полупроводникового прибора 22, как хорошо известно в данной области техники. Полупроводниковая командная цепь, подходящая для применения в схеме 10, описана в работе "MOTOROLA THITYSTOR DEVICE DATA" (Q2/95: DL137/D; REV 6), опубликованной фирмой MOTOROLA, на странице 1.6-30, фигура 6.60.

Схема 10 электронного коммутатора далее содержит датчик 26 перегрузки. Датчик 26 служит для определения (измерения) токовой нагрузки через главную цепь 12. Датчик 26 может быть соединен последовательно с нагрузкой 16, в этом случае датчик 26 представляет амперметр. Однако также возможны другие конструкции, где определение тока производится косвенно (например, посредством индукции), как хорошо известно в данной области техники.

Схема 10 электронного коммутатора содержит релейную командную цепь 28. Цепь 28 соединена с электромагнитом 20 электромагнитного релейного прибора 18, с полупроводниковой командой цепью 24 и с датчиком 26.

Релейная командная цепь 28 служит для контроля релейного прибора 18 и полупроводниковой командной цепи 24. Цепь 28 соединена с датчиком 26, который сигнализирует цепи 28, когда токовая нагрузка в главной цепи 12 превышает заранее определенный умеренный порог (например, в диапазоне около 25 ампер), или, другими словами, когда датчик 26 испытывает перегрузку по току, являющуюся умеренной или высокой (например, выше 50 или 100 ампер) перегрузкой по току, он информирует или сигнализирует по меньшей мере цепь 28.

Схема 10 электронного коммутатора далее содержит резистор 32. Резистор 32 соединен последовательно с управляемым полупроводниковым прибором 22, так что прибор 22 и резистор 32 вместе подключены параллельно релейному прибору 18.

Когда контакты 21 релейного прибора 18 разомкнуты (например, начало процесса размыкания), резистор 32, который тем самым испытывает более высокую токовую нагрузку и/или напряжение, автоматически сигнализирует полупроводниковой командной цепи 24, которая, в свою очередь, отключает управляемый полупроводниковый прибор 22. Прибор 22 отключается в пределах около 10 миллисекунд, предпочтительно около 7 миллисекунд, более предпочтительно около 4 миллисекунд или менее вслед за размыканием контактов 21 прибора 18.

Подходящий резистор имеет сопротивление около 0,5 Ома. Выбор резистора 32, имеющего подходящее сопротивление, ограничивает возникновение высокого тока и, тем самым, защищает нагрузку 16 и полупроводниковый прибор 22.

Альтернативно к резистору 32, предпочтительно в дополнение к резистору 32 схема 10 электронного коммутатора далее содержит индуктор 34. Индуктор 34 соединен последовательно с нагрузкой 16 главной цепи 12. Индуктор 34 расположен в непосредственной близости (например, 0,01-5 мм, предпочтительно 0,1-2,0 мм, более предпочтительно 0,5-1,5 мм, самое предпочтительное около 1 мм) от электромагнита 20 электромагнитного релейного прибора 18, так что когда индуктор 34 испытывает нагрузку выше заранее определенного высокого порога (например, выше примерно 50 ампер, предпочтительно выше примерно 100 ампер), он вырабатывает поле электромагнитной индукции с амплитудой, достаточной для принуждения электромагнита 20 электромагнитного релейного прибора 18 разомкнуть контакты 21.

Заметим, что в процессе обслуживания индуктор 34 соединен последовательно с нагрузкой 16 и что ток, который протекает через главную цепь 12, непосредственно протекает также через индуктор 34. Индуктор 34 может быть сделан из толстого (например, 1,5 мм в диаметре) металлического проводника длиной около 1 см и может быть расположен на расстоянии около 1 мм от электромагнита 20 релейного прибора 18.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения контакты 21 размыкаются в пределах примерно от одной до трех (предпочтительно около двух) миллисекунд после возникновения токовой нагрузки выше заранее определенного высокого порога.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения датчик 26 соединен с блоком управления (ЦП) 30 и также подключен к цепи 24, которая сама также предпочтительно соединена с блоком 30.

В другом предпочтительном варианте осуществления схема 10 далее содержит цепь детектирования нуль-пересечения (не показана), которая при условиях переменного тока может определять точку нуль-пересечения и использоваться для синхронизации переключения схемы при нормальных условиях обслуживания, как хорошо известно в данной области техники.

Работа схемы 10 осуществляется следующим образом.

Работа при нормальных условиях обслуживания
При нормальных условиях обслуживания ток направляется через контакты 21 релейного прибора 18 и параллельно через полупроводниковый прибор 22 и резистор 32 к индуктору 34, датчику 26 и после этого к нагрузке 16.

При нормальных условиях обслуживания схема 10 может быть переключена из состояния включения в состояние отключения вручную или по управляемой (ЦП) команде. Релейная командная цепь 28 принимает ручную команду или команду отключения от ЦП и формирует команду отключения для релейного прибора 18. В результате контакты 21 размыкаются. Вместе с тем, отключенный резистор 32 испытывает повышенную токовую нагрузку и, следовательно, командная цепь 24 выдает команду прибору 22 для установки его в состояние включения. Таким образом, образование искрения устраняется.

Все еще при нормальных условиях обслуживания схема 10 переключается из состояния отключения в состояние включения вручную или по управляемой (ЦП) команде. Цепь 28 принимает команду включения и после этого командная цепь 24 выдает команду прибору 22 для переключения в состояние включения. Сразу после этого цепь 28 выдает команду релейному прибору 18 для переключения в состояние включения. Снова образование искрения устраняется.

Таким образом, при нормальных условиях обслуживания, когда релейный прибор 18 переключается в состояние включения или отключения, полупроводниковый прибор включен, что предотвращает образование искрения. Процесс в целом может продолжаться десятки миллисекунд.

Работа при умеренной перегрузке по току
Термин "умеренная перегрузка по току", как он здесь используется, относится к токовой нагрузке, которая принуждает датчик 36 (например, выше примерно 25 ампер) информировать цепь 28, все еще не вынуждая индуктор 34 оказывать влияние на релейный прибор 18.

Когда датчик 26 детектирует перегрузку, он информирует цепь 28. В свою очередь цепь 28 выдает команду релейному прибору 18 для отсоединения схемы. Когда контакты 21 прибора 18 разомкнуты, резистор 32 испытывает перегрузку по току и, в результате, цепь 24 выдает команду прибору 22 для отключения. Это реагирование является быстрым, например, в пределах около четырех миллисекунд вслед за размыканием контактов 21, полупроводниковый прибор 22 отключен.

Работа при высокой перегрузке по току
Термин "высокая перегрузка по току", как он здесь используется, относится к токовой нагрузке, которая принуждает индуктор 34 вызывать размыкание контактов 21 релейного прибора 18, например, выше 50 или 100 ампер.

В этом случае ток, который протекает через индуктор 34, вынуждает электромагнит 20 релейного прибора 18 размыкать контакты 21. Это действие очень быстрое и, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, продолжается примерно от одной до трех миллисекунд, в типовом случае примерно две миллисекунды.

Когда контакты 21 разомкнуты, резистор 32 испытывает возрастание токовой нагрузки и/или напряжения и сигнализирует цепи 24 для отключения полупроводникового прибора 22. Это действие завершается примерно на четыре миллисекунды позже, как описано выше.

Таким образом, индуктор 34 и резистор 32 действуют синергетически как рефлексы в случае высокой перегрузки по току для отсоединения схемы в пределах около шести миллисекунд. Это мгновенное реагирование гарантирует эффективное предотвращение повреждения схемы, коммутатора или любой связанной с ними компоненты, например, нагрузки. Более того, малое время реагирования обеспечивает использование меньших и более экономически выгодных электрических компонентов вместо громоздких и неудобных компонентов, связанных с возможностями большого рассеяния тепла.

Эксперименты показали, что после замыкания нагрузки домашнего пользования (220 В переменного тока) возникает ток перегрузки, который может доходить в пределах двух миллисекунд до значений, превышающих 1000 ампер, в некоторые моменты (отсутствие плавкого предохранителя) ток может достигать 10000 ампер за тот же период времени.

Использование коммутатора согласно настоящему изобретению гарантирует, что в пределах двух миллисекунд вслед за замыканием измеренный ток ограничивается 400 амперами. Это значение сохраняется в течение дополнительных четырех миллисекунд, после которых не детектируется измеряемого тока.

Как сопутствующее обстоятельство, датчик 26 также регистрирует перегрузку по току и инициирует последовательность действий путем сигнализации, например, цепи 28 для отключения в конечном счете всей схемы.

Хотя изобретение описано по отношению к ограниченному числу предпочтительных вариантов осуществления, понятно, что могут быть выполнены многие изменения, модификации и другие применения изобретения.

Изобретение относится к электронному коммутатору. Схема электронного коммутатора содержит электромагнитный релейный прибор, имеющий электромагнит и по меньшей мера два контакта, управляемый полупроводниковый прибор, полупроводниковую командную цепь для контроля управляемого полупроводникового прибора, релейную командную цепь для контроля релейного прибора и полупроводниковой командной цепи, датчик перегрузки для информирования релейной командной цепи о перегрузке по току, резистор и индуктор. Когда контакты разомкнуты, резистор испытывает повышенную токовую нагрузку, автоматически сигнализирует полупроводниковой командной цепи, которая отключает управляемый полупроводниковый прибор. Кроме того, индуктор вырабатывает поле электромагнитной индукции с амплитудой, достаточной для принуждения электромагнита электромагнитного релейного прибора разомкнуть контакты, когда индуктор испытывает перегрузку по току выше заранее определенного порога. Техническим результатом является то, что в пределах 2 мс вслед за зажиганием измеренный ток ограничивается 400 А. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Схема электронного коммутатора для контроля главной цепи, имеющей источник питания и нагрузку, содержащая электромагнитный релейный прибор, имеющий электромагнит и, по меньшей мере, два контакта, причем электромагнитный релейный прибор соединен последовательно с источником питания и нагрузкой главной цепи, управляемый полупроводниковый прибор, являющийся частью схемы электронного коммутатора, полупроводниковую командную цепь, подключенную к упомянутому полупроводниковому прибору, причем полупроводниковая командная цепь служит для контроля работы управляемого полупроводникового прибора, релейную командную цепь, подключенную к электромагниту электромагнитного релейного прибора, причем релейная командная цепь служит для контроля электромагнитного релейного прибора, датчик перегрузки, служащий для определения токовой нагрузки через главную цепь и для информирования релейной командной цепи о перегрузке по току, резистор, подключенный последовательно с управляемым полупроводниковым прибором, причем резистор и управляемый полупроводниковый прибор соединены параллельно с электромагнитным релейным прибором, и индуктор, соединенный последовательно с нагрузкой, причем индуктор расположен в непосредственной близости от электромагнита электромагнитного релейного прибора, отличающаяся тем, что когда индуктор испытывает токовую нагрузку выше заранее определенного порога, он вырабатывает поле электромагнитной индукции с амплитудой, достаточной для принуждения электромагнита электромагнитного релейного прибора разомкнуть упомянутые контакты, при этом когда контакты электромагнитного релейного прибора разомкнуты, упомянутый резистор, который тем самым испытывает повышенную токовую нагрузку, автоматически сигнализирует полупроводниковой командной цепи, которая, в свою очередь, отключает управляемый полупроводниковый прибор. 2. Схема электронного коммутатора по п.1, отличающаяся тем, что релейная командная цепь соединена с полупроводниковой командной цепью и служит для контроля полупроводниковой командной цепи. 3. Схема электронного коммутатора по п.1, отличающаяся тем, что когда контакты упомянутого релейного прибора разомкнуты, упомянутый резистор, который тем самым испытывает повышенную токовую нагрузку, автоматически сигнализирует полупроводниковой командной цепи, которая, в свою очередь, отключает управляемый полупроводниковый прибор в течение примерно 4 мс. 4. Схема электронного коммутатора по п.1, отличающаяся тем, что заранее определенный порог превышает примерно 50 А. 5. Схема электронного коммутатора по п.1, отличающаяся тем, что заранее определенный порог превышает примерно 100 А. 6. Схема электронного коммутатора по п.1, отличающаяся тем, что когда индуктор испытывает токовую нагрузку выше заранее определенного порога, он вырабатывает поле электромагнитной индукции, достаточное для принуждения электромагнита электромагнитного релейного прибора разомкнуть упомянутые контакты в течение примерно 1-3 мс.