ИМПУЛЬС НУЛЕВОГО ТОКА С ПОСТОЯННОЙ КРУТИЗНОЙ ТОКА ДЛЯ ПРЕРЫВАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2018 года по МПК H01H33/59 

Настоящее изобретение относится к устройству для формирования импульса нулевого тока для генерации перехода через нуль тока в электрическом компоненте, через который протекает постоянный ток, в частности, вакуумной лампе.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Вакуумная лампа часто используется в качестве выключателя нагрузки или силового выключателя токов в сетях переменного тока. При этом вакуумная лампа для отключения анодного тока или коммутационного тока требует отрицательного напряжения, которое обеспечивается отрицательной полуволной переменного напряжения. Для случая, когда постоянный ток должен прерываться, ввиду отсутствия перехода через нуль, требуется импульс тока или также импульс нулевого тока, на который может накладываться постоянный ток, чтобы сформировать требуемый переход через нуль тока.

В известных до настоящего времени способах формирования искусственного перехода через нуль тока посредством импульса нулевого тока, как правило, используется простой RLC-колебательный контур (колебательный контур, основанный на сопротивлении, индуктивности, емкости). Если должен отключаться постоянный ток, то вакуумная переключающая лампа отпирается, прикладывается импульс нулевого тока, и ток прерывается. При этом импульс нулевого тока, сформированный RLC-колебательным контуром, имеет синусоидальную форму. При этом высота частоты RLC-колебательного контура лежит, как правило, в кГц-диапазоне и, тем самым, заметно выше частот, которые обычно возникают в сетях переменного тока.

Прерывание тока с помощью вакуумной переключающей лампы осуществляется относительно надежно до определенной максимальной крутизны тока dI/dt (производной тока по времени) при переходе через нуль тока. При этом крутизна тока RLC-колебательного контура соответствует функции косинуса. Расчет RLC-колебательного контура может быть оптимизирован только для высоты определенного задаваемого тока. Таким образом, в момент времени прерывания тока при различных коммутационных токах и постоянном импульсе нулевого тока получаются, при обстоятельствах, неоптимальные значения крутизны тока для перехода через нуль коммутационного тока.

Таким образом, RLC-колебательный контур, который рассчитан, чтобы формировать импульс нулевого тока с высокой амплитудой, имеет крутизну, сначала очень высокую, но при возрастании времени и амплитуды падающую согласно функции косинуса. Если подлежащий компенсации постоянный ток велик, то переход через нуль тока происходит в момент времени, в который крутизна тока уже спадает согласно функции косинуса и, тем самым, является достаточно низкой. Однако если подлежащий компенсации постоянный ток низкий, то переход через нуль тока осуществляется уже к раннему моменту времени, в который крутизна тока импульса нулевого тока еще весьма высока, при обстоятельствах, слишком высока.

ЗАДАЧА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является создание устройства для формирования импульса нулевого тока, которое обеспечивает возможность прерывания коммутационных токов различной высоты при по возможности постоянной крутизне тока dI/dt.

Поставленная задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

В соответствии с изобретением, предлагается устройство для формирования импульса нулевого тока для генерации перехода через нуль тока в электрическом компоненте, через который протекает постоянный ток, в частности, вакуумной переключающей лампе, причем устройство содержит электрический накопитель энергии с двумя полюсами, через которые электрический накопитель энергии может заряжаться от источника напряжения, и переключатель. При этом устройством, посредством накопителя энергии, электрического компонента, через который протекает постоянный ток, и переключателя, может создаваться замкнутый контур, так что накопитель энергии при замыкании переключателя может разряжаться при генерации импульса нулевого тока, протекающий через электрический компонент противоположно постоянному току, причем накопитель энергии содержит множество элементов накопителя энергии для совместного формирования импульса нулевого тока.

Преимуществом такого выполнения является то, что форма, то есть профиль амплитуды во времени, импульса нулевого тока может формироваться суперпозицией кривых разряда нескольких элементов накопления энергии. Таким способом могут генерироваться импульсы нулевого тока практически любой формы, которые могут потребоваться для прерывания постоянных токов в электрическом компоненте. При этом термин ʺэлектрический компонентʺ следует понимать обобщенным образом так, что он включает в себя также более сложные - возможно интегрированные - схему или устройство, в частности, обычное устройство коммутации переменного тока.

Предпочтительным образом, элементы накопления энергии выполнены различным образом, так что элементы накопления энергии имеют различные кривые разряда. Разряд множества элементов накопления энергии для совместного формирования импульса нулевого тока может осуществляться различным образом, например, параллельно, со сдвигом во времени, независимо друг от друга или цепочкой.

Предпочтительным образом, накопитель энергии выполнен таким образом, что посредством замкнутого контура при замыкании переключателя может быть образован колебательный контур, так что импульс нулевого тока имеет чередующееся направление. Такое выполнение имеет то преимущество, что узловая точка, в которой накопитель энергии может соединяться с линией, через которую протекает постоянный ток, может быть расположена в направлении постоянного тока перед электрическим компонентом. В этом случае, при разрядке накопителя энергии, постоянный ток, протекающий через электрический компонент, первоначально усиливается посредством импульса нулевого тока, прежде чем он, ввиду образованного колебательного контура, изменяет свое направление и компенсирует постоянный ток после полуволны своим отрицательным направлением.

Предпочтительным образом, множество элементов накопителя энергии для совместного формирования импульса нулевого тока образуют цепную линию, причем элементы накопителя энергии выполнены как звенья цепи с соответствующей емкостью.

При этом термин ʺцепная линияʺ следует понимать как цепочечную электрическую связь однотипно выполненных звеньев цепи в форме электрических схем.

Применение однотипных звеньев цепи предоставляет преимущество рационализуемой технологичности, а соединение в цепь - преимущество возможности формирования временных зависимостей или последовательностей.

Предпочтительным образом, звенья цепи цепной линии имеют индуктивности, резисторы и конденсаторы. Вариант выполнения с пассивными компонентами может быть реализован экономичным образом, причем, в частности, из индуктивностей, резисторов и конденсаторов может быть выполнено устройство, которое имеет простую конструкцию и к тому же допускает контролируемый процесс разрядки конденсатора в качестве элемента накопителя энергии.

Предпочтительным образом, каждое звено цепи выполнено как RLC-звено, то есть каждое звено цепи выполнено как схема последовательного соединения из индуктивности, резистора и конденсатора, причем схема последовательного соединения первого звена цепи образована между полюсами накопителя энергии, а схема последовательного соединения следующего звена цепи включена параллельно конденсатору соответствующего предшествующего звена цепи. Подобный вариант выполнения предоставляет возможность выполнения колебательных контуров различных частот, что приводит к составляющим импульса нулевого тока с различными значениями крутизны тока. В частности, он предоставляет возможность формирования импульса нулевого тока, отрицательная полуволна которого имеет низкую крутизну тока при высокой амплитуде. Так, например, вакуумная переключающая лампа для прерывания высокого постоянного тока требует импульса нулевого тока с высокой амплитудой и низкой крутизной тока. По сравнению с накопителем энергии, который выполняет соответствующие предпосылки и состоит из только чисто RLC-колебательного контура, соответствующая и подходящим образом выполненная параметризованным способом цепная линия из RLC-звеньев требует меньше накапливаемой энергии при отдаче сравнительно коротких импульсов тока и конструктивно меньших размеров.

Предпочтительным образом, устройство содержит множество элементов накопителя энергии, которые выполнены таким образом, что возникающий посредством совместной разрядки элементов накопителя энергии импульс нулевого тока на участках в совокупности имеет приближенно постоянную крутизну тока. Например, устройство может быть выполнено таким образом, что оно имеет цепную линию с несколькими звеньями цепи, индуктивности, резисторы и конденсаторы которых выбраны таким образом, что импульс нулевого тока на участках в совокупности имеет примерно постоянную крутизну тока.

Подобное устройство имеет то преимущество, что оно может быть выполнено, например, для определенной, приблизительно постоянной крутизны тока, которая независимо от высоты компенсируемого постоянного тока для момента времени перехода через нуль тока со стороны импульса нулевого тока имеет сформированную крутизну тока. Таким образом, подобное устройство при соответствующей параметризации, например, пригодно для того, чтобы компенсировать протекающий через вакуумную переключающую лампу, постоянный к моменту времени переключения постоянный ток независимо от его высоты при заданной крутизне тока. Иными словами, посредством устройства при подобном выполнении могут формироваться переходы через нуль тока для постоянных токов с различной высотой при оптимальной крутизне тока.

Предпочтительным образом, накопитель энергии имеет несколько, предпочтительно три элемента накопителя энергии, которые выполнены таким образом, что импульс нулевого тока, возникающий за счет совместной разрядки элементов накопителя энергии, в целом имеет приближенно треугольную или пилообразную форму тока. Особенно предпочтительным образом, накопитель энергии имеет цепную линию с тремя звеньями цепи, индуктивности, резисторы и конденсаторы которых выбраны таким образом, что импульс нулевого тока в целом имеет примерно треугольную или пилообразную форму тока. Подобные временные характеристики импульса нулевого тока могут быть просто реализованы с пассивными компонентами и предоставляют на участках импульсы нулевого тока с постоянной крутизной тока.

Предпочтительным образом, устройство выполнено таким образом, что полюса накопителя энергии могут быть соединены через зарядный резистор с источником напряжения. Кроме того, предпочтительным образом, устройство выполнено таким образом, что этот источник напряжения представляет собой тот же источник питания, который предоставляет электрическую энергию для компенсируемого постоянного тока. Подобное выполнение позволяет отказаться от второго источника напряжения. Предпочтительным образом, зарядный резистор расположен таким образом, что он образует второй замкнутый контур с источником напряжения, электрическим компонентом и переключателем и при этом не содержится в вышеупомянутом замкнутом контуре из переключателя, электрического компонента и накопителя энергии, а также не находится в токовой цепи компенсируемого постоянного тока.

Кроме того, предпочтительным образом, устройство выполнено таким образом, что устройство имеет поглотитель энергии, расположенный параллельно с электрическим компонентом. За счет этого, при прерывании постоянного тока посредством электрического компонента поглощается энергия, высвобождаемая ввиду прерывания. Предпочтительным образом, поглотитель энергии выполнен как металл-оксидный разрядник, например, металл-оксидный резистор или металл-оксидный варистор. Металл-оксидные разрядники, по существу, выполнены устойчивыми к старению и подходящими для того, чтобы воспринимать энергию, выделяемую во время процесса разряда.

Предпочтительным образом, устройство применяется для формирования импульса нулевого тока в электрическом компоненте, через который протекает постоянный ток, причем электрический компонент представляет собой вакуумную переключающую лампу. При подобном применении с помощью устройства может выполняться выключатель постоянного тока.

ПРИМЕРЫ И ЧЕРТЕЖИ

Изобретение далее поясняется более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи на основе предпочтительных примеров выполнения. На чертежах представлено следующее:

Фиг. 1 - пример выполнения изобретения с цепной линией из трех звеньев цепи.

Фиг. 2 - пример выполнения применения изобретения для формирования выключателя постоянного тока.

Фиг. 1 показывает предпочтительный пример выполнения изобретения. Фиг. 1 иллюстрирует устройство для формирования импульса 1 нулевого тока для генерации перехода через нуль тока в электрическом компоненте 3, через который протекает постоянный ток 2, причем электрический компонент 3 выполнен в виде вакуумной переключающей лампы.

Устройство содержит электрический накопитель 4 энергии с двумя полюсами 12, 13, который может заряжаться от источника 10 напряжения, показанного на фиг. 2. Кроме того, устройство образует, посредством накопителя 4 энергии, электрического компонента 3, через который протекает постоянный ток, и переключателя 5, замкнутый контур, так что накопитель 4 энергии при замыкании переключателя 5 может разряжаться при формировании импульса 1 нулевого тока, усиливающего сначала постоянный ток 3 через электрический компонент 3.

При этом накопитель 4 энергии имеет множество элементов накопителя энергии в форме звеньев 6, 6ʹ и 6ʺ цепи цепной линии для совместного формирования импульса 1 нулевого тока. Звенья 6, 6ʹ, 6ʺ цепи цепной линии имеют индуктивности 7, 7ʹ, 7ʺ, резисторы 8, 8ʹ, 8ʺ и конденсаторы 9, 9ʹ, 9ʺ. При этом каждое звено 6, 6ʹ, 6ʺ цепи выполнено из схемы последовательного соединения индуктивности 7, 7ʹ, 7ʺ, резистора 8, 8ʹ, 8ʺ и конденсатора 9, 9ʹ, 9ʺ. Между полюсами 12, 13 накопителя 4 энергии образована схема последовательного соединения первого звена 6 цепи. Схема последовательного соединения последующего звена 6ʹ, 6ʺ цепи включена параллельно конденсатору 9, 9ʹ соответствующего предыдущего звена 6, 6ʹ цепи.

При подобном выполнении, посредством цепной линии формируется колебательный контур, колебания которого - если электрический компонент 3 имеет проводящее состояние - могут инициироваться путем замыкания переключателя 5.

При замыкании переключателя 5, конденсаторы 9, 9ʹ, 9ʺ разряжаются с образованием положительной полуволны импульса 1 нулевого тока. Положительная полуволна импульса 1 нулевого тока имеет то же самое направление, что и постоянный ток 2, так что в электрическом компоненте 3 сначала оба тока суммируются.

После разрядки конденсаторов 9, 9ʹ, 9ʺ, индуктивности 7, 7ʹ, 7ʺ поддерживают импульс 1 нулевого тока, пока не произойдет переключение полюсов напряжения U в конденсаторах 9, 9ʹ, 9ʺ. При увеличивающемся нарастании напряжения амплитуда импульса 1 нулевого тока спадает до его перехода через нуль.

На основе переключения полюсов напряжения U в конденсаторах 9, 9ʹ, 9ʺ, к положительной полуволне импульса 1 нулевого тока примыкает отрицательная полуволна. Эти отрицательная полуволна импульса 1 нулевого тока противодействует постоянному току 2, так что при соответствующем выборе параметров, постоянный ток 2 может компенсироваться посредством отрицательной полуволны импульса 1 нулевого тока, и для суммы обоих токов может достигаться переход через нуль тока в электрическом компоненте 3.

Индуктивности 7, 7ʹ, 7ʺ, резисторы 8, 8ʹ, 8ʺ и конденсаторы 9, 9ʹ, 9ʺ звеньев 6, 6ʹ, 6ʺ цепи выбираются таким образом, что импульс 1 нулевого тока на участках имеет в совокупности приближенно постоянную крутизну тока.

Фиг. 2 показывает пример выполнения для применения изобретения для формирования выключателя 17 постоянного тока. Выполнение накопителя 4 энергии и его взаимодействие с электрическим компонентом 3 и переключателем 5 идентичны примеру выполнения согласно фиг. 1. Помимо описанного согласно фиг. 1 устройства, из фиг. 2 видно, что показанный на фиг. 1 накопитель 4 энергии, здесь представленный посредством цепной линии с индуктивностями 7, 7ʹ, 7ʺ, резисторами 8, 8ʹ, 8ʺ и конденсаторами 9, 9ʹ, 9ʺ, через зарядный резистор 11 соединен с источником 10 напряжения.

Кроме того, тем же самым источником 10 напряжения предоставляется электрическая энергия для подлежащего компенсации постоянного тока 2. Зарядный резистор 11 расположен таким образом, что он образует второй замкнутый контур с источником 10 напряжения, электрическим компонентом 3 и переключателем 5 и при этом не включается в вышеупомянутый замкнутый контур из переключателя 5, электрического компонента 3 и накопителя 4 энергии, а также не расположен в токовой цепи компенсируемого постоянного тока 2. Дополнительный, третий замкнутый контур, состоящий из источника 10 напряжения, накопителя 4 энергии и зарядного резистора 11, разрешает зарядку конденсаторов 9, 9ʹ, 9ʺ до напряжения U_DC источника 10 напряжения, когда переключатель 5 разомкнут.

Если переключатель 5 замкнут, конденсаторы 9, 9ʹ, 9ʺ накопителя 4 энергии разряжаются через электрический компонент 3 и переключатель 5 в форме импульса 1 нулевого тока. Электрический компонент 3, выполненный в форме вакуумной переключающей лампы, связан с переключателем 5 и при замыкании переключателя 5 размыкается, так что при достижении перехода через нуль тока, обусловленного отрицательной полуволной импульса нулевого тока, постоянный ток 2 может отключаться.

К источнику 10 напряжения с напряжением U_DC через выключатель 17 постоянного тока подключена коммутируемая нагрузка с индуктивным компонентом 15 и омическим компонентом 16, посредством которой определяется постоянный ток 2. Кроме того, из фиг. 2 видно, что устройство содержит поглотитель 14 энергии, который расположен параллельно электрическому компоненту 3.

При прерывании постоянного тока 2 через электрический компонент 3, на основе индуктивного компонента 15 коммутируемой нагрузки на электрическом компоненте 3 возникает перенапряжение, которое может поглощаться посредством поглотителя 14 энергии, который выполнен как металл-оксидный разрядник.

Перечень ссылочных позиций

1 импульс нулевого тока

2 постоянный ток

3 электрический компонент

4 накопитель энергии

5 переключатель

6 звено цепи

7 индуктивность

8 резистор

9 конденсатор

10 источник напряжения

11 нагрузочный резистор

12 полюс накопителя энергии

13 полюс накопителя энергии

14 поглотитель энергии

15 коммутируемая нагрузка, индуктивный компонент

16 коммутируемая нагрузка, омический компонент

17 выключатель постоянного тока

Изобретение относится к устройству для формирования импульса (1) нулевого тока для генерации перехода через нуль тока в электрическом компоненте (3), через который протекает постоянный ток (2), в частности вакуумной переключающей лампе, причем устройство содержит электрический накопитель (4) энергии с двумя полюсами (12), (13), через которые электрический накопитель (4) энергии может заряжаться от источника (10) напряжения, и переключатель (5), при этом с упомянутым устройством посредством накопителя (4) энергии, электрического компонента (3), через который протекает постоянный ток, и переключателя (5) может создаваться замкнутый контур, так что накопитель (4) энергии при замыкании переключателя (5) может разряжаться при формировании импульса (1) нулевого тока, протекающего через электрический компонент (3) противоположно постоянному току (2). В соответствии с изобретением предусмотрено, что накопитель (4) энергии содержит множество элементов накопителя энергии для совместного формирования импульса (1) нулевого тока. Технический результат - возможность прерывания коммутационных токов различной высоты при, по возможности, постоянной крутизне тока dI/dt.2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для формирования импульса (1) нулевого тока для генерации перехода через нуль тока в электрическом компоненте (3), через который протекает постоянный ток (2), в частности вакуумной переключающей лампе, причем устройство содержит электрический накопитель (4) энергии с двумя полюсами (12), (13), через которые электрический накопитель (4) энергии может заряжаться от источника (10) напряжения, и переключатель (5), при этом с упомянутым устройством посредством накопителя (4) энергии, электрического компонента (3), через который протекает постоянный ток, и переключателя (5) может создаваться замкнутый контур, так что накопитель (4) энергии при замыкании переключателя (5) может разряжаться при формировании импульса (1) нулевого тока, протекающего через электрический компонент (3) противоположно постоянному току (2),

причем множество элементов накопителя энергии для совместного формирования импульса (1) нулевого тока образуют цепную линию, причем элементы накопителя энергии выполнены в качестве звеньев (6), (6'), (6ʺ) цепи, каждое из которых имеет конденсатор (9), (9'), (9ʺ),

отличающееся тем, что

каждое звено (6), (6'), (6ʺ) цепи выполнено как схема последовательного соединения индуктивности (7), (7'), (7ʺ), резистора (8), (8'), (8ʺ) и конденсатора (9), (9'), (9ʺ),

схема последовательного соединения первого звена (6) цепи образована между полюсами (12), (13) накопителя (4) энергии, и схема последовательного соединения следующего звена (6'), (6ʺ) цепи включена параллельно конденсатору (9), (9') соответствующего предшествующего звена (6), (6') цепи.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что

накопитель (4) энергии выполнен таким образом, что посредством замкнутого контура при замыкании переключателя (5) может формироваться колебательный контур, так что импульс (1) нулевого тока имеет чередующиеся направления.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что

полюса (12), (13) накопителя (4) энергии через зарядный резистор (11) могут соединяться с источником (10) напряжения.

4. Применение устройства согласно любому из предыдущих пунктов для формирования импульса (1) нулевого тока в электрическом компоненте (3), через который протекает постоянный ток (2), причем

электрический компонент (3) представляет собой вакуумную переключающую лампу.