КОММУТАТОР НА СИММЕТРИЧНЫХ ТИРИСТОРАХ Российский патент 2003 года по МПК H03K17/72 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для коммутации нагрузок в цепях трехфазного напряжения переменного тока.

Известны устройства на симметричных тиристорах, в которых небольшой пусковой ток используется для управления большим током нагрузки, например, "твердотельное реле", содержащее ключевой элемент, один вывод которого через резистор соединен с управляющим электродом симметричного тиристора, одним выводом подключенного к цепи нагрузки, а другим выводом соединенного с первым выводом сети переменного тока, другой вывод цепи нагрузки подключен к второму выводу сети переменного тока [1].

Описанное устройство является недостаточно надежным, так как в нем отсутствует защита симметричного тиристора, и какие-либо сбои в цепи нагрузки могут привести его к выходу из строя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является коммутатор на симметричных тиристорах, содержащий источник переменного напряжения, симметричные тиристоры в цепях n нагрузок, n пиковых трансформаторов, формирователь импульсов управления тиристорами, содержащий программный блок, трансформатор, первичной обмоткой подключенный к источнику переменного напряжения, имеющий вторичную обмотку с заземленной средней точкой и двумя выходными концами, соединенными с двумя идентичными цепями из двух диодов, включенных встречно-параллельно, анод одного из которых через резистор соединен с катодом динистора, с анодом которого через резистор связан катод второго диода, емкость и стабилитрон, заземленные своими вторыми выводами, при этом катоды двух динисторов из идентичных цепей соединены между собой n параллельными цепочками из двух встречно включенных диодов, катоды которых через первичную обмотку пикового трансформатора подключены к выходам программного блока [2].

Описанное устройство позволяет осуществлять коммутацию нагрузок в цепях трехфазного напряжения переменного тока, однако в нем отсутствует возможность контроля напряжения, подводимого к нагрузке, и тока нагрузки, что может привести в ряде случаев к выходу из строя симметричных тиристоров, например, при коротком замыкании в нагрузке. Некоторые нагрузки, например, асинхронный двигатель, не допускают работу при отсутствии одного из трех напряжений.

Предлагаемое изобретение направлено на решение технической задачи, заключающейся в создании коммутирующего устройства, позволяющего осуществлять подключение нагрузок в цепях трехфазного напряжения переменного тока при наличии возможности контроля тока в нагрузке, что предотвращает выход из строя симметричных тиристоров, исключает сбои в нагрузке и повышает надежность работы коммутатора.

Данная техническая задача решается за счет того, что в коммутатор на симметричных тиристорах, содержащий симметричные тиристоры в цепях трехфазного напряжения переменного тока, одни выводы которых подключены к выходным клеммам источника трехфазного тока, разделительные трансформаторы в цепи управления каждого симметричного тиристора, формирователь импульсов управления симметричными тиристорами, введены блок измерения и контроля, блок контроля напряжения, трансформаторы тока и датчики температуры в цепи каждой фазы, блок согласования, входы которого подключены к соответствующим выходам источника трехфазного тока, а первый, второй и третий выходы соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами первой группы входов блока измерения и контроля, первый, второй и третий входы второй группы входов которого соединены с первым, вторым и третьим выходами блока контроля напряжения, а первый, второй и третий входы третьей группы входов подключены к выводам соответствующих датчиков температуры, другими выводами подключенных к общему проводу, выходы первой группы выходов блока измерения и контроля подключены соответственно к первому, второму и третьему входам первой группы входов формирователя импульсов управления симметричными тиристорами, первый, второй и третий входы второй группы входов которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами второй группы выходов блока измерения и контроля, одни концы первичных обмоток трансформаторов тока соединены с выводами соответствующих симметричных тиристоров, а вторые концы соединены с соответствующими входами блока контроля напряжения и с соответствующей цепью нагрузки, одни концы вторичных обмоток трансформаторов тока подключены соответственно к первому, второму и третьему входам четвертой группы входов блока измерения и контроля, а другие концы заземлены, выходная шина блока измерения и контроля связана с последовательным каналом сопряжения с внешним устройством управления.

При этом блок измерения и контроля содержит нормализатор, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и вычислитель, входная шина которого подключена к выходной шине аналого-цифрового преобразователя, входом соединенного с выходом мультиплексора, первый, второй и третий входы первой, второй и третьей группы входов которого подключены к соответствующим выходам первой, второй и третьей группы выходов нормализатора, входы которого являются входами блока измерения и контроля, управляющие входы мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими управляющими выходами вычислителя, а блок контроля напряжения содержит в цепи каждой фазы последовательно соединенные резистор и диодно-транзисторную оптопару, формирователь импульсов управления симметричными тиристорами содержит генератор импульсов, и три идентичных канала, каждый из которых состоит из элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, второй вход элемента И подключен к выходу ждущего мультивибратора, входы которого соединены с выходами первого и второго компараторов, прямой вход первого из которых и инверсный вход второго объединены и подключены к соответствующему выходу нормализатора, а инверсный вход первого компаратора и прямой вход второго компаратора подключены к общему проводу, третий вход элемента И соединен с соответствующим выходом вычислителя, а выход через усилитель подключен к выводу первичной обмотки разделительного трансформатора цепи управления симметричного тиристора соответствующей фазы.

Введение в схему коммутатора на симметричных тиристорах блока измерения и контроля, блока контроля напряжения, датчиков температуры, трансформаторов тока в цепи каждой фазы трехфазного напряжения переменного тока и связей введенных блоков между собой и с другими блоками устройства позволяет повысить надежность его работы за счет осуществления контроля тока в нагрузке, напряжения на выходе коммутатора и температуры корпусов симметричных тиристоров, что позволяет исключить сбои в нагрузке и предотвращает выход из строя симметричных тиристоров.

В результате проведенного информационного поиска технических решений, тождественных заявляемому, не обнаружено. Следовательно, предлагаемое техническое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого коммутатора и пример конкретной реализации блока измерения и контроля для варианта трехфазной сети переменного тока с нейтралью, на фиг.2 - то же самое для трехфазной сети без нейтрали, на фиг. 3а и 3б приведены варианты конкретной технической реализации блока согласования для трехфазной сети с нейтралью, на фиг.3в - приведен пример технической реализации блока согласования для трехфазной сети без нейтрали, на фиг. 4 приведен пример конкретной технической реализации блока контроля напряжения для трехфазной сети с нейтралью (а) и без нейтрали (б), на фиг.5 - пример конкретной реализации формирователя импульсов управления тиристорами, на фиг. 6 приведен пример конкретной технической реализации одного канала нормализатора.

Коммутатор на симметричных тиристорах, представленный на фиг.1, 2, содержит источник 1 трехфазного тока, выходные клеммы которого подключены к одним выводам симметричных тиристоров 2, включенных в цепь каждой из трех фаз, и к входам блока 3 согласования, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами первой группы входов блока 4 измерения и контроля, первый, второй и третий входы второй группы входов которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами блока 5 контроля напряжения, а первый, второй и третий входы третьей группы входов блока 4 измерения и контроля соединены с первыми выводами датчиков температуры 6, другими выводами подключенных к общему проводу, первый, второй и третий выходы первой группы выходов блока 4 измерения и контроля соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами первой группы входов формирователя 7 импульсов управления симметричными тиристорами, первый, второй и третий входы второй группы входов которого подключены к соответствующим выходам второй группы выходов блока 4 измерения и контроля, первый, второй и третий выходы формирователя 7 импульсов управления симметричными тиристорами подключены к первым выводам первичных обмоток первого, второго и третьего разделительных трансформаторов 8 соответственно, вторые выводы первичных обмоток которых заземлены, первые выводы вторичных обмоток трансформаторов 8 подключены к управляющим электродам соответствующих симметричных тиристоров 2, вторые выводы которых соединены с вторыми выводами вторичных обмоток соответствующих разделительных трансформаторов 8 и с первыми выводами первичных обмоток соответствующих трансформаторов тока 9, включенных в цепь каждой из фаз трехфазной сети, вторые выводы первичных обмоток трансформаторов тока 9 подключены к соответствующим входным клеммам нагрузки по каждой фазе и к соответствующим входам блока 5 контроля напряжения, одни выводы вторичных обмоток трансформаторов тока 9 заземлены, а вторые выводы подключены соответственно к первому, второму и третьему входам четвертой группы входов блока 4 измерения и контроля, в состав которого входит нормализатор 10, первый, второй и третий выходы первой группы выходов которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами второй группы входов формирователя 7 импульсов управления симметричными тиристорами и с первым, вторым и третьим входами первой группы входов мультиплексора 11, первый, второй и третий входы второй и третьей групп входов которого соединены с соответствующими выходами второй и третьей группы выходов нормализатора 10, а выход подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 12, выходная шина которого соединена с входной шиной вычислителя 13, первым, вторым и третьим входами подключенного соответственно к первому, второму и третьему выходам блока 5 контроля напряжения, выходная шина вычислителя 12 связана с последовательным каналом сопряжения с внешним устройством управления (на чертеже не показан), управляющие входы мультиплексора 11 и АЦП 12 соединены с соответствующими управляющими выходами вычислителя 13, подключение которого к последовательному каналу сопряжения с внешним устройством управления может осуществляться, например, с помощью интерфейса RS-232, RS-485.

Блок согласования 3 может быть выполнен, например, на резистивных делителях напряжения (фиг.3а) или на трансформаторах (фиг.3б, в).

Блок контроля напряжения 5 может быть выполнен, как показано на фиг.4, и содержит в цепи каждой фазы последовательно соединенные резистор и диодно-транзисторную оптопару, при этом входами блока являются выводы соответствующих резисторов, а выходами - коллекторы соответствующих транзисторов оптопары, эмиттеры которых подключены к общему проводу источника питания.

Формирователь 7 импульсов управления симметричными тиристорами (см. фиг. 5) состоит из генератора импульсов, и трех идентичных цепей, каждая из которых содержит элемент И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, второй вход элемента И подключен к выходу ждущего мультивибратора, входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго компараторов, прямой вход первого из которых и инверсный вход второго объединены и подключены к соответствующему выходу нормализатора 10 блока 4 измерения и контроля, а инверсный вход первого компаратора и прямой вход второго компаратора подключены к общему проводу, третий вход элемента И соединен с соответствующим выходом вычислителя, а выход через усилитель подключен к выводу первичной обмотки разделительного трансформатора 8 цепи управления симметричного тиристора 2 соответствующей фазы.

Нормализатор 10 блока 4 измерения и контроля может быть выполнен, например, как показано на фиг.6, и содержит три идентичных канала, каждый из которых состоит из операционных усилителей и резисторов.

Мультиплексор 11, аналого-цифровой преобразователь 12 и вычислитель 13 могут быть выполнены, например, на микропроцессоре АТ90 MEGA 103, серийно выпускаемом фирмой Atmel.

Предлагаемый коммутатор работает следующим образом.

В исходном состоянии симметричные тиристоры 2 закрыты. Блок 4 измерения и контроля непрерывно измеряет значение входного тока и температуры корпусов симметричных тиристоров 2, осуществляет контроль входного напряжения, производя в вычислителе 13 сравнение с допустимыми значениями. Формирователь 7 импульсов управления симметричными тиристорами формирует серию импульсов управления открыванием тиристоров 2 в моменты перехода синусоидального сигнала через ноль. Сигналы на выходах формирователя 7 не появляются до тех пор, пока с вычислителя 13 не поступит команда на включение тиристоров 2.

При подаче команды на включение по последовательному каналу сопряжения от внешнего устройства управления на вычислитель 13 последний сравнивает измеренное значение напряжения на выходах источника трехфазного тока 1 с допустимым, контролирует выходные токи и наличие напряжений на выходных зажимах коммутатора, а также значение температуры корпусов симметричных тиристоров 2. Если измеренные значения напряжения на выходах источника трехфазного тока 1 находятся в допустимых пределах, а ток в нагрузке и напряжение на выходных клеммах коммутатора отсутствует, вычислитель 13 выдает команду на снятие блокировки с формирователя 7 импульсов управления симметричными тиристорами. При этом импульсы управления через трансформаторы 8 поступают на управляющие электроды симметричных тиристоров 2, которые при этом открываются, подавая в нагрузку напряжение. По цепи в нагрузку начинает протекать ток, значение которого с помощью трансформаторов тока 9 измеряется блоком 4 измерения и контроля. Одновременно на выходных зажимах коммутатора появляется напряжение, наличие которого фиксируется блоком 5 контроля напряжения. Полученные сигналы о значениях тока с вторичных обмоток трансформаторов тока 9, наличии напряжения на нагрузке с выходов блока 5 контроля напряжения и температуры корпусов симметричных тиристоров 2 с датчиков температуры 6 поступают в вычислитель 13 блока 4 измерения и контроля, который выдает сообщение об исполнении команды на включение коммутатора, поступающий через последовательный канал сопряжения на внешнее устройство управления (на чертеже не показано).

Если измеренные значения напряжения на выходах источника трехфазного тока 1 находятся вне допустимых пределов, то вычислитель 13 блока 4 измерения и контроля не выдает сигнал разрешения на вход формирователя 7 импульсов управления симметричными тиристорами и коммутатор не включается. Одновременно вычислитель 13 выдает внешнему устройству управления по последовательному каналу сопряжения сообщение о причинах невыполнения команды.

В нормальном режиме, когда все симметричные тиристоры 2 исправны, формирователь 7 импульсов управления симметричными тиристорами своим сигналом, поступающим на управляющие электроды тиристоров 2 через трансформаторы 8, открывает их, при этом ток от источника 1 трехфазного тока поступает в нагрузку. Значение тока, поступающего в нагрузку, постоянно измеряется с помощью трансформаторов тока 9, а наличие напряжения на нагрузке контролируется блоком 5 контроля напряжения. Измеряемые токи по каждой фазе сравниваются с допустимыми его значениями для данной фазы. Если ток одной из фаз превысит допустимое значение (например, в случае короткого замыкания) или станет равным нулю в случае обрыва соединительной линии с нагрузкой, то информация об этом с трансформатора тока 9, включенного в цепь данной фазы, поступает на вычислитель 13 блока 4 измерения и контроля, который фиксирует эти отклонения от номинального режима и своим выходным сигналом блокирует формирователь 7 импульсов управления симметричными тиристорами, и коммутатор отключается. Для повышения надежности работы коммутатора дополнительно контролируется температура корпусов симметричных тиристоров 2. Значение температуры, контролируемое датчиками температуры 6 (например, терморезисторами), преобразуется в электрический сигнал, который поступает в вычислитель 13 блока 4 измерения и контроля, где обрабатывается и сравнивается с допустимым значением. При недопустимом перегреве симметричных тиристоров 2, вызванном различными причинами, например, длительными перегрузками по току или нарушениями режима охлаждения, блок 4 измерения и контроля своим выходным сигналом блокирует формирователь 7 импульсов управления симметричными тиристорами, которые при этом закрываются, что предотвращает их выход из строя. Одновременно вычислитель 13 блока 4 измерения и контроля при возникновении указанных аварийных ситуаций выдает сообщение об отключении коммутатора и причинах, его вызвавших, по последовательному каналу сопряжения на внешнее устройство управления.

Если при подаче команды на включение по последовательному каналу сопряжения от внешнего устройства управления на вычислитель 13 блок 4 измерения и контроля фиксирует наличие напряжения на одном из его выходных зажимов или ток в цепи одной из фаз, вычислитель 13 блока 4 измерения и контроля не выдает сигнал разрешения на вход формирователя 7 импульсов управления симметричными тиристорами и коммутатор не включается. Одновременно вычислитель 13 выдает внешнему устройству управления по последовательному каналу сопряжения сообщение о причинах невыполнения команды.

Если после подачи команды на включение по последовательному каналу сопряжения от внешнего устройства управления на вычислитель 13 окажется, что один из симметричных тиристоров 2 неисправен, например не включается, т.е. ток и напряжение на выходном зажиме коммутатора по данной фазе отсутствуют, то вычислитель 13 блока 4 измерения и контроля, на входы которого поступают сигналы с трансформаторов тока 9 и с блока 5 контроля напряжения, анализирует эти состояния и выдает сигнал блокировки на соответствующие входы формирователя 7 импульсов управления симметричными тиристорами, тем самым выключая коммутатор. Одновременно вычислитель 13 выдает сообщение о невозможности включения коммутатора и причинах, вызвавших это, по последовательному каналу сопряжения на внешнее устройство управления.

Таким образом, осуществление контроля значения тока и наличия напряжения в фазовых цепях трехфазной сети, а также температуры корпусов симметричных тиристоров предотвращает выход из строя симметричных тиристоров из-за появления сбоев в нагрузке, что повышает надежность работы коммутатора.

Источники информации
1. М.Х. Джонс. Электроника - практический курс. М.: Постмаркет, 1999, с. 244-245.

2. Авторское свидетельство 267691, кл. Н 03 К 17/68, опубл. 02.04.70 (прототип).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для коммутации нагрузок в цепях трехфазного напряжения переменного тока. Предлагается коммутатор на симметричных тиристорах, содержащий симметричные тиристоры в цепи каждой фазы, одни выводы которых подключены к выходным клеммам источника трехфазного тока, блок согласования, входы которого соединены с выходными клеммами источника трехфазного тока, выходы блока согласования соединены с соответствующими входами блока измерения и контроля, выходы которого подключены к соответствующим входам формирователя импульсов управления тиристорами, выходы которого через разделительные трансформаторы соединены с управляющими электродами симметричных тиристоров, выводы которых через трансформаторы тока подключены к нагрузке, к соответствующим входам блока измерения и контроля и блока контроля напряжения, выходами подключенного к соответствующим входам блока измерения и контроля, соответствующие выходы которого соединены с другими входами формирователя импульсов управления симметричными тиристорами, блок измерения и контроля подключен к последовательному каналу сопряжения с внешним устройством управления, блок измерения и контроля соответствующими входами соединен с одними выводами датчиков температуры, другими выводами подключенных к общему проводу. Предлагаемое техническое решение позволяет реализовать технический результат - повысить надежность работы коммутатора за счет предотвращения возможности выхода из строя симметричных тиристоров из-за возникновения сбоев в нагрузке, что достигается путем осуществления контроля напряжения и тока нагрузки, а также температуры корпусов симметричных тиристоров. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Коммутатор на симметричных тиристорах, содержащий симметричные тиристоры в цепях трехфазного напряжения переменного тока, одни выводы которых подключены к выходным клеммам источника трехфазного тока, разделительные трансформаторы в цепи управления каждого симметричного тиристора, формирователь импульсов управления симметричными тиристорами, отличающийся тем, что в него введены блок измерения и контроля, блок контроля напряжения, трансформаторы тока и датчики температуры в цепи каждой фазы, блок согласования, входы которого подключены к соответствующим выходам источника трехфазного тока, а первый, второй и третий выходы соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами первой группы входов блока измерения и контроля, первый, второй и третий входы второй группы входов которого соединены с первым, вторым и третьим выходами блока контроля напряжения, а первый, второй и третий входы третьей группы входов подключены к выводам соответствующих датчиков температуры, другими выводами подключенных к общему проводу, выходы первой группы выходов блока измерения и контроля подключены соответственно к первому, второму и третьему входам первой группы входов формирователя импульсов управления симметричными тиристорами, первый, второй и третий входы второй группы входов которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами второй группы выходов блока измерения и контроля, одни концы первичных обмоток трансформаторов тока соединены с выводами соответствующих симметричных тиристоров, а вторые концы соединены с соответствующими входами блока контроля напряжения и с соответствующей цепью нагрузки, одни концы вторичных обмоток трансформаторов тока подключены соответственно к первому, второму и третьему входам четвертой группы входов блока измерения и контроля, а другие концы заземлены, выходная шина блока измерения и контроля связана с последовательным каналом сопряжения с внешним устройством управления. 2. Коммутатор на симметричных тиристорах по п.1, отличающийся тем, что блок измерения и контроля содержит нормализатор, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и вычислитель, входная шина которого подключена к выходной шине аналого-цифрового преобразователя, входом соединенного с выходом мультиплексора, первый, второй и третий входы первой, второй и третьей группы входов которого подключены к соответствующим выходам первой, второй и третьей группы выходов нормализатора, входы которого являются входами блока измерения и контроля, управляющие входы мультиплексора и аналого-цифрового преобразователя соединены с соответствующими управляющими выходами вычислителя. 3. Коммутатор на симметричных тиристорах по пп.1 и 2, отличающийся тем, что блок контроля напряжения содержит в цепи каждой фазы последовательно соединенные резистор и диодно-транзисторную оптопару. 4. Коммутатор на симметричных тиристорах по пп.1-3, отличающийся тем, что формирователь импульсов управления симметричными тиристорами содержит генератор импульсов и три идентичных канала, каждый из которых состоит из элемента И, первый вход которого соединен с выходом генератора импульсов, второй вход элемента И подключен к выходу ждущего мультивибратора, входы которого соединены с выходами первого и второго компараторов, прямой вход первого из которых и инверсный вход второго объединены и подключены к соответствующему выходу нормализатора, а инверсный вход первого компаратора и прямой вход второго компаратора подключены к общему проводу, третий вход элемента И соединен с соответствующим выходом вычислителя, а выход через усилитель подключен к выводу первичной обмотки разделительного трансформатора цепи управления симметричного тиристора соответствующей фазы.