БЕЗДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОННО-МЕХАНИЧЕСКИЙ КОНТАКТОР Российский патент 2008 года по МПК H01H9/30 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам коммутации электрических цепей, и может быть использовано в сетях систем электроснабжения и управления, работающих на постоянном токе. Применение заявляемого устройства наиболее целесообразно в высоковольтных цепях постоянного напряжения при больших значениях токов. При его использовании достигается повышение надежности работы не только за счет исключения дугообразования на механических контактах, но и исключения тепловых потерь, а также уменьшаются габариты коммутационных и распределительных шкафов из-за отсутствия камер дугогашения.

Известно устройство /1/, содержащее механические контакты, полупроводниковый ключ, диод, конденсатор и резистор, в котором полупроводниковый ключ подключен последовательно с размыкаемыми контактами. При запирании полупроводникового ключа ток в цепи прекращается и имеется возможность осуществить бездуговое размыкание механических контактов. Основным недостатком данного устройства является постоянное протекание полного тока через полупроводниковый ключ, что ведет к значительному выделению на нем тепла. Это в свою очередь требует применения различного рода охладителей, что дополнительно приводит к росту массогабаритных показателей устройства. Применение данного устройства при высоких напряжениях и больших токах оказывается затруднительным из-за высоких требований к полупроводниковому ключу, что ведет либо к снижению надежности работы устройства, либо к существенному росту его стоимости.

Известно устройство /2/, также содержащее механическую контактную группу и два управляемых полупроводниковых ключа, один из которых силовой и включен последовательно с контактами, а второй управляющий и включен параллельно контактам последовательно с полупроводниковым выпрямительным мостом. Недостатками данного устройства также являются высокие потери в электрической цепи за счет последовательного включения силового полупроводникового ключа и значительное выделение тепла на нем, что требует принятия специальных мер по его отводу и снижает надежность коммутационного устройства в целом.

Известно устройство /3/, содержащее главные контакты, коммутирующие цепи, по крайней мере двух ступеней коммутации, каждая из которых включает последовательно соединенные управляемый ключ и предварительно заряжаемый конденсатор, последовательно соединенный с диодом и транзистором, причем коммутирующая цепь первой ступени коммутации включена параллельно главным контактам. Недостатками этого устройства являются низкая надежность, а также потери, вызванные токами утечек через полупроводниковый ключ после отключения.

Наиболее близким аналогом заявляемого устройства является устройство, описанное в /3/ и выше и принятое за прототип.

Задачей изобретения является повышение надежности работы систем электроснабжения и автоматики, где находит применение высокое постоянное напряжение, при котором размыкание цепей сопровождается появлением электрической дуги, приводящей к выгоранию контактов, а также снижение тепловых потерь на контакторе до минимума и полное исключение токов утечек через полупроводниковый ключ.

Задача решается за счет применения нового устройства, которое позволяет осуществлять бездуговую коммутацию в цепях постоянного тока высокого напряжения при больших токах, обеспечивает низкие значения тепловых потерь и высокую надежность работы.

Сущность изобретения заключается в следующем. Бездуговой электронно-механический контактор является сборным коммутирующим устройством, состоящим из нескольких элементов. В его состав входят (чертеж): основное электромеханическое реле 1, имеющее обмотку и два замыкающих контакта, первый из которых является входным, а второй - выходным; датчик тока 2, имеющий токовые вход и выход, а также информационный выход; управляемый полупроводниковый ключ 3, имеющий силовой вход, силовой выход и управляющий вход; вспомогательное электромеханическое реле 4, имеющее обмотку и два замыкающих контакта, первый из которых является входным, а второй - выходным; устройство управления 5, имеющее два входа и два выхода. Причем как в основном, так и во вспомогательном реле при их срабатывании происходит такая коммутация, при которой первый контакт соединяется со вторым. Обмотки обоих реле имеют выводы, на которые подается напряжение управления.

Для обеспечения заявляемого технического результата соединение элементов электронно-механического контактора осуществляется следующим образом. Последовательно с контактами основного реле 1 подключают датчик тока 2 (чертеж) по токовому входу и выходу, при этом второй контакт основного реле соединен с токовым входом датчика тока. На первый контакт основного реле подают коммутируемое напряжение постоянного тока. Последовательно соединенные основное реле и датчик тока образуют основную силовую цепь. Полупроводниковый ключ 3 по силовому входу и выходу подключают последовательно с контактами вспомогательного реле 4, при этом силовой вход полупроводникового ключа соединен с первым контактом основного реле, а его силовой выход с первым контактом вспомогательного реле. К токовому выходу датчика тока, соединенному со вторым контактом вспомогательного реле, подключают нагрузку. Таким образом, полупроводниковый ключ и контакты вспомогательного реле, образующие вспомогательную силовую цепь, подключены параллельно основной силовой цепи.

Устройства вспомогательной силовой цепи должны обеспечивать кратковременное протекание через них полного тока нагрузки. В качестве полупроводникового ключа используется управляемый высоковольтный транзистор (например, IGBT). Вспомогательное электромеханическое реле выбирается однотипным основному реле, но гораздо менее мощным, поскольку замыкание и размыкание контактов происходит при отсутствии тока. При этом его контакты, соответственно, по размерам существенно меньше контактов основного реле. В случае необходимости для обеспечения протекания необходимого уровня тока через вспомогательную силовую цепь возможно параллельное включение любого количества контактов вспомогательного реле.

Управление работой всех элементов бездугового электронно-механического контактора осуществляет устройство управления 5. На первый вход устройства управления подают напряжение управления. Это же напряжение с первого входа устройства управления подается на обмотку основного реле. Второй вход устройства управления соединен с информационным выходом датчика тока. Первый выход устройства управления соединяют с управляющим входом полупроводникового ключа, а второй выход с обмоткой вспомогательного реле. Обмотка основного реле может подключаться либо непосредственно к первому входу устройства управления, либо через устройство управления. При ее подключении через устройство управления имеется возможность реализовать различные режимы включения реле, при этом устройство управления должно иметь дополнительный третий выход для соединения с выводами обмотки основного реле.

Для включения электронно-механического контактора на обмотку основного реле подается напряжение управления, которое вызывает замыкание контактов основного реле. Одновременно напряжение управления подается на первый вход устройства управления, инициируя формирование сигналов управления полупроводниковым ключом и вспомогательным реле. Сигналы управления, сформированные устройством управления, поступают на управляющие входы полупроводникового ключа и обмотку вспомогательного реле с временной задержкой относительно напряжения управления, поступающего на управляющий вход устройства управления. Время задержки определяется временем гарантированного замыкания контактов основного реле. В результате подачи напряжения на эти элементы происходит подключение вспомогательной силовой цепи, которая шунтирует основную силовую цепь. Поскольку сопротивление цепи контактов вспомогательного реле существенно выше основной силовой из-за наличия в цепи полупроводникового ключа, то ток преимущественно будет протекать по цепи основного реле, внутреннее сопротивление которой существенно меньше вспомогательной. Поскольку через полупроводниковый ключ протекает малый ток, то потери на нем существенно меньше, чем в том случае, когда он включен последовательно, как например в /1/ или /2/.

Поскольку управляющее напряжение также обеспечивает питание устройства управления, то нет необходимости формирования отдельной линии питания устройства управления, а при отсутствии напряжения питания на входе устройства управления, даже при наличии высокого постоянного коммутируемого напряжения на первом контакте основного реле, контактор переходит в выключенное состояние, и напряжение на нагрузке отсутствует. При наличии напряжения управления на устройстве управления, но при отсутствии коммутируемого напряжения на входном контакте основного реле, контактор включается, но электрический ток через нагрузку не протекает. Протекание тока в цепи нагрузки возможно только при наличии двух напряжений: коммутируемого напряжения и напряжения управления.

Для отключения нагрузки снимается напряжение управления. При этом отключается обмотка основного реле, что приводит к размыканию контактов основного реле. Датчик тока, включенный по токовому входу последовательно контактам основного реле, определяет значение тока в цепи нагрузки, что дает возможность определять момент полного размыкания контактов основного реле и формирования сигналов управления для отключения полупроводникового ключа и вспомогательного реле.

Устройством управления создается временная задержка отключения полупроводникового ключа и вспомогательного реле. Контакты основного реле размыкаются без образования дуги, поскольку ток будет протекать по шунтирующей вспомогательной цепи. При разрыве основной цепи с информационного выхода датчика тока подается сигнал на второй вход устройства управления. При наличии этого сигнала устройством управления формируются два сигнала: первый сигнал, который подается на управляющий вход полупроводникового ключа, и второй, с временной задержкой по отношению к первому сигналу, который подается на обмотку вспомогательного реле. По первому сигналу полупроводниковый ключ осуществляет разрыв вспомогательной силовой цепи. В силу конструкции полупроводникового ключа этот разрыв осуществляется бездуговым образом. После отключения полупроводникового ключа отключается обмотка вспомогательного реле, что приводит к размыканию механических контактов вспомогательного реле. Поскольку в шунтирующей вспомогательной цепи после отключения полупроводникового ключа остаются только токи утечек, которые существенно меньше тока основной силовой цепи, то размыкание контактов вспомогательного реле осуществляется также бездуговым образом, при этом после их размыкания полностью исключаются токи утечек во внутренних цепях полупроводникового ключа в отличие от прототипа /3/, что повышает надежность работы устройства в целом и снижает тепловые потери.

Исключение дугообразования дает возможность дополнительно уменьшить воздушный зазор между силовыми контактами основного реле, что не только ведет к уменьшению габаритов и массы контактора, но также позволяет дополнительно повысить его быстродействие и быстродействие контактора в целом.

Уменьшение тепловыделения на полупроводниковом ключе благодаря использованию датчика тока, обеспечивающему отключение полупроводникового ключа немедленно после прекращения тока через контакты основного реле, позволяет отказаться от применения мощных охладителей, что дополнительно уменьшает габаритные размеры и в целом снижает вес устройства.

Применение полупроводникового ключа в сочетании с вспомогательным электромеханическим реле и датчиком тока не только предотвращает дугообразование, что позволяет исключить из состава устройства камеру гашения, как у традиционных контакторов, но и уменьшить до минимума охладитель, как у бездуговых, что не только улучшает габаритно-массовые показатели, но и повышает надежность работы устройства в целом.

Таким образом, результат изобретения достигается за счет применения нового устройства. Применение бездугового электронномеханического контактора возможно в системах электроснабжения постоянного тока высокого напряжения, а также в автоматических системах управления исполнительными двигателями постоянного тока.

Литература

1. Описание изобретения по патенту РФ №2192682. Устройство для бездуговой коммутации электрической цепи.

2. Описание изобретения по патенту РФ №2255390. Устройство для бездуговой коммутации электрических цепей.

3. Описание изобретения по патенту СССР №1128700. Высоковольтный выключатель постоянного тока.

Использование: в сетях систем электроснабжения и управления для коммутации электрических цепей. Технический результат заключается в повышении надежности работы и уменьшении габаритов из-за отсутствия камер дугогашения. Контактор состоит из основного электромеханического реле с обмоткой и первым и вторым замыкающими контактами, причем на первый контакт подают постоянное коммутируемое напряжение управляемого полупроводникового ключа, силовой вход полупроводникового ключа соединен с первым контактом основного электромеханического реле, также имеется вспомогательное электромеханическое реле, имеющее обмотку и первый и второй замыкающие контакты, датчик тока, устройство управления, первый контакт вспомогательного реле соединен с силовым выходом управляемого полупроводникового ключа, а его второй контакт с токовым выходом датчика тока, токовый вход которого соединен со вторым контактом основного реле, информационный выход датчика тока соединен со вторым входом устройства управления, первый вход устройства управления, на который подают напряжение управления, соединен с обмоткой основного реле, первый выход устройства управления соединен с управляющим входом полупроводникового ключа, а второй выход с обмоткой вспомогательного электромагнитного реле, причем нагрузку подключают ко второму контакту вспомогательного реле. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Бездуговой электронно-механический контактор, состоящий из основного электромеханического реле с обмоткой и первым и вторым замыкающими контактами, причем на первый контакт подают постоянное коммутируемое напряжение, управляемого полупроводникового ключа, имеющего силовые вход и выход, а также управляющий вход, причем силовой вход полупроводникового ключа соединен с первым контактом основного электромеханического реле, отличающийся тем, что содержит вспомогательное электромеханическое реле, имеющее обмотку и первый и второй замыкающие контакты, датчик тока, имеющий токовые вход и выход, а также информационный выход, устройство управления, имеющее два входа и два выхода, так что первый контакт вспомогательного реле соединен с силовым выходом управляемого полупроводникового ключа, а его второй контакт с токовым выходом датчика тока, токовый вход которого соединен со вторым контактом основного реле, информационный выход датчика тока соединен со вторым входом устройства управления, первый вход устройства управления, на который подают напряжение управления, соединен с обмоткой основного реле, первый выход устройства управления соединен с управляющим входом полупроводникового ключа, а второй выход с обмоткой вспомогательного электромагнитного реле, причем нагрузку подключают ко второму контакту вспомогательного реле.2. Бездуговой электронно-механический контактор по п.1, отличающийся тем, что вспомогательное электромеханическое реле имеет более двух замыкающих контактов, соединенных между собой параллельно.3. Бездуговой электронно-механический контактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что основное электромеханическое реле имеет более одного входного и выходного контакта, соединенных параллельно.4. Бездуговой электронно-механический контактор по п.1 или 2, отличающийся тем, что напряжение управления на обмотку основного электромеханического реле подают через устройство управления, которое имеет третий выход.5. Бездуговой электронно-механический контактор по п.3, отличающийся тем, что напряжение управления на обмотку основного электромеханического реле подают через устройство управления, которое имеет третий выход.