ТИРИСТОРНЫЙ КОММУТАТОР ТРАНСФОРМАТОРНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2006 года по МПК H03K17/72 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к тиристорным коммутаторам нагрузки преимущественно трансформаторного типа, работающей в повторно-кратковременном режиме с большим числом включений в минуту.

Для коммутации таких нагрузок, т.е. для включения-выключения, в настоящее время применяются тиристоры или симисторы. Их преимущества перед электромагнитными контакторами общеизвестны и особенно ярко проявляются именно при большой частоте включений.

Примером могут служить тиристорные "контакторы" для коммутации сварочных трансформаторов в машинах контактной сварки, где продолжительность включения и паузы интервалами от одного до десятков герц. Довольно высокую частоту включений, особенно в режимах низких температур нагрева, имеют микроволновые печи и тому подобные установки, в которых целесообразно использование тиристорного коммутатора в цепи первичной обмотки трансформатора, питающего нагрузку.

Известно, что включения трансформатора в сеть сопровождаются броском намагничивающего тока, величина которого достигает десятикратного значения от номинального тока. Для минимизации или полного устранения броска тока в момент включения трансформатора систему управления тиристорным коммутатором синхронизируют с питающей сетью, а двухпозиционный триггер, входящий в эту систему в известных устройствах [1], обеспечивает "запоминание" знака (плюс или минус) последнего полупериода тока. Очередное включение трансформатора возможно только в полупериод с обратным знаком. Таким образом, через трансформатор проходит четное число полупериодов тока и подмагничивание трансформатора исключается. Синхронизация системы управления с сетью обеспечивает также оптимальный начальный угол включения тиристорного коммутатора.

Аналогичные системы управления тиристорными коммутаторами применяются и в разработках последних лет [2]. В частности, в каталоге фирмы FORWEL, 2004 г., Paqe 1 of 6 приводится система управления машинами для сварки сопротивлением (т.е. контактной сварки), упрощенная функциональная схема которой приведена на фиг.1.

Устройство управления тиристорным коммутатором с двухпозиционным триггером (фиг.1) содержит в силовой схеме однофазный трансформатор 1, подключаемый к сети через тиристорный коммутатор из двух встречно-параллельно включенных тиристоров 2, 3 и систему управления упомянутым коммутатором в составе импульсного трансформатора 4, две вторичные обмотки которого через диоды 5, 6 подключены к соответствующим управляющим входам упомянутых тиристоров 3, 4, а первичная обмотка импульсного трансформатора 4 соединена с выходом двухпозиционного триггера 7, подключенного одним своим входом к блоку питания 8, а вторым входом к выходу системы импульсно-базового управления 9, синхронизированный через блок питания 8 с питающей сетью и подключенной своим управляющим входом к системе автоматического регулирования 10.

Описанное устройство является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается в качестве прототипа.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата как в упомянутых аналогах, так и в прототипе, относится потеря памяти двухпозиционным триггером при исчезновении напряжения сети вследствие случайного или оперативного отключения.

Технический результат - сохранение памяти устройства управления тиристорным коммутатором при любых перерывах в питании и, как следствие, исключение броска намагничивающего тока при включении устройства после упомянутых перерывов в питание.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем в силовой цепи однофазный трансформатор, подключаемый к сети тиристорным коммутатором из двух встречно-параллельно включенных тиристоров и систему управления упомянутым тиристорным коммутатором в составе импульсного трансформатора, первичная обмотка которого соединена с выходом системы импульсно-фазового управления, синхронизированной посредством блока питания с питающей сетью и подключенной управляющим входом к системе автоматического регулирования, импульсный трансформатор выполнен на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, его вторичные обмотки подключены к двум соответствующим управляющим входам тиристоров тиристорного коммутатора через идентичные помехоподавляющие цепочки, каждая из которых содержит включенные последовательно резистор и динистор, соединенный анодом с резистором, а катодом с управляющим электродом соответствующего тиристора упомянутого тиристорного коммутатора. Свободным выводом резистор подключен к соответствующему выводу своей вторичной обмотки импульсного трансформатора, второй вывод которой связан с катодом соответствующего тиристора тиристорного коммутатора, а между общей точкой резистора и динистора и катодом соответствующего тиристора включен в каждой помехоподавляющей цепочке конденсатор. Это позволило сохранить память устройства при любых перерывах в питании и, как следствие, устранить броски намагничивающего тока при включении устройства после перерывов в питании, а также объединить в импульсном трансформаторе функции памяти и гальванической развязки, исключив при этом из схемы двухпозиционный триггер.

Сущность изобретения поясняется фиг.2, на которой представлена схема тиристорного коммутатора трансформаторной нагрузки на примере сварочного трансформатора для контактной сварки. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, заключаются в следующем.

Устройство (фиг.2) содержит в силовой части однофазный сварочный трансформатор 1, подключенный к сети через тиристорный коммутатор из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров 2 и 3. Вторичная обмотка сварочного трансформатора 1 замкнута на нагрузку, например, на свариваемые детали.

Система управления устройством состоит из импульсного трансформатора 4, вторичные обмотки которого связаны с соответствующими управляющими входами упомянутых тиристоров 2 и 3, а первичная обмотка соединена непосредственно с выходом системы импульсно-фазового управления 5, синхронизированной через блок питания 6 с питающей сетью и подключенной управляющим входом к системе автоматического регулирования 7. Импульсный трансформатор 4 выполнен на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, а две его упомянутые вторичные обмотки подключены к соответствующим управляющим входам тиристоров 2 и 3 тиристорного коммутатора через идентичные помехоподавляющие цепочки. Каждая из помехоподавляющих цепочек содержит последовательно соединенные резистор 8 и динистор 9, соединенный с резистором 8, а катодом с управляющим электродом тиристора 2 - в одной цепочке и такие же резистор 10 и динистор 11, соединенные аналогично, причем катод динистора 11 соответственно подключен к управляющему электроду тиристора 3.

Упомянутые резисторы 8 и 10 своими свободными выводами подключены к соответствующим выводам своих вторичных обмоток импульсного трансформатора 4, а свободные выводы вторичных обмоток импульсного трансформатора 4 соединены с катодами соответствующих тиристоров 2 и 3. Между общей точкой динистора и резистора в каждой из помехоподавляющих цепочек и катодом соответствующего тиристора тиристорного коммутатора включены конденсаторы 12 и 13.

Устройство функционирует следующим образом.

При включении устройства в питающую сеть через блок питания 6 на систему импульсно-фазового управления 5 подается (с соответствующим коэффициентом трансформации) напряжение, перерабатываемое в последовательность разнополярных импульсов (диаграммы перемагничивания импульсного трансформатора - изменение его напряжения U в функции wt и индукции В в функции ампервитков iW обмотки импульсного трансформатора см. на фиг.3). Необходимый начальный угол запаздывания этих импульсов обеспечивается системой автоматического регулирования 7, как и во всех известных устройствах аналогичного назначения. Первый же импульс, в зависимости от его полярности, включает один из тиристоров, например тиристор 2. Одновременно этим импульсом переводится в режим насыщения, например, в точку 1 на фиг.3 импульсный трансформатор 4. После исчезновения импульса сердечник трансформатора остается намагниченным в точке 2, т.е. остается насыщенным, благодаря прямоугольности петли гистерезиса. Это состояние сердечник импульсного трансформатора будет сохранять до прихода импульса противоположной полярности, который перемагнитит сердечник в точку 3 и одновременно включит тиристор 3, а сердечник останется намагниченным в точке 4. При исчезновении напряжения сети сердечник импульсного трансформатора сколь угодно долго будет сохранять намагниченность от последнего импульса, поэтому при восстановлении напряжения на тиристоры первым может пройти только импульс с полярностью, противоположной последнему импульсу перед отключением сети. Иными словами, если последним был включен тиристор 2 (фиг.2), то после восстановления напряжения через любой произвольный отрезок времени включиться первым может только тиристор 3. Соответственно и через трансформатор 1 (фиг.2) будет всегда проходить четное число полупериодов тока, т.е. перемагничиваться он будет по симметричной петле гистерезиса, какими бы ни были интервалы отключения сети.

Таким образом, исключается даже кратковременное подмагничивание силового (в рассмотренном примере сварочного) трансформатора и соответственно исключаются броски намагничивающего тока после пауз в электроснабжении установки.

Поскольку прямоугольность петли гистерезиса известных ферромагнитных сердечников не идеальна, переход из точки насыщения в точку остаточной намагниченности (фиг.3) сопровождается небольшим перепадом индукции ΔВ и соответственно импульсом помехи малой длительности в обмотках импульсного трансформатора, могущим "ложно" включить один из тиристоров коммутатора. Чтобы не пропустить импульс помехи на управляющий вход тиристора служат вышеупомянутые помехоподавляющие цепочки: при возникновении такого "ложного" импульса его шунтируют конденсаторы 12 и 13. В связи с малым перепадом индукции ΔВ (фиг.3) интеграл напряжения "ложных" импульсов ничтожен и соответственно величина (амплитуда) напряжения от этих импульсов мала и недостаточна для переключения в проводящее состояние динисторов 9 и 11. Это исключает "ложное" включение тиристоров коммутатора. В то же время "рабочие" импульсы имеют достаточно большую ширину, диктуемую требованиями нагрузки. Устройства, обеспечивающие нужную ширину рабочих импульсов, широко известны, входят в комплект системы импульсно-фазового управления и для простоты на фиг.2 не показаны.

В заключение нужно отметить, что предлагаемое устройство одновременно с решением поставленной технической задачи позволяет несколько упростить схему исключением из нее двухпозиционного триггера "памяти".

Источники информации

1. Глебов Л.В. и др. Расчет и конструирование машин контактной сварки. Энергоиздат, Ленинград, 1981. - 424 с. Рис.8-4, 8-5.

2. Каталог фирмы FORWEL (2004 г.), Paqe 1, of 6 (стр.1, раздел 6) - Resistance Welding Control (Управление сваркой сопротивлением). Рис.1.

Использование: в электротехнике для коммутации однофазной трансформаторной нагрузки. Технический результат заключается в устранении бросков намагничивающего тока при включении. Система управления тиристорным коммутатором снабжена импульсным трансформатором с прямоугольной петлей гистерезиса и помехоподавляющими цепочками в цепи управления тиристорным коммутатором. Система управления неограниченное время сохраняет память при перерывах в электроснабжении и исключает броски намагничивающего тока при включении установки после упомянутых перерывов. 3 ил.

Тиристорный коммутатор трансформаторной нагрузки, содержащий в силовой цепи однофазный трансформатор, подключаемый к сети тиристорным коммутатором из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, и систему управления упомянутым тиристорным коммутатором в составе импульсного трансформатора, первичная обмотка которого соединена с выходом системы импульсно-фазового управления, синхронизированной посредством блока питания с питающей сетью и подключенной управляющим входом к системе автоматического регулирования, отличающийся тем, что импульсный трансформатор выполнен на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, его две вторичные обмотки подключены к двум соответствующим управляющим входам тиристоров тиристорного коммутатора через две идентичные помехоподавляющие цепочки, каждая из которых содержит включенные последовательно резистор и динистор, соединенный анодом с резистором, а катодом - с управляющим электродом соответствующего тиристора упомянутого тиристорного коммутатора, причем свободным выводом резистор подключен к соответствующему выводу своей вторичной обмотки импульсного трансформатора, второй вывод которой связан с катодом соответствующего тиристора тиристорного коммутатора, а между общей точкой резистора и динистора и катодом соответствующего тиристора включен в каждой помехоподавляющей цепочке конденсатор.