Устройство для коммутации нагрузки переменного тока Советский патент 1991 года по МПК H02J3/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах для коммутации в электрических сетях нагрузки переменного тока большой мощности как однофазной, так и трехфазной.

Известно устройство для подключения конденсаторной батареи к трехфазной сети переменного тока, содержащее два силовых коммутатора и систему управления ими.

Устройство обладает следующими недостатками: малое быстродействие: низкое допустимое напряжение нагрузки; сложность устройства.

Известно также устройство для регулирования мощности трехфазной конденсаторной батареи, содержащее два силовых коммутатора, три тиристорных коммутатора разрядных цепей и систему управления зги- ми коммутаторами.

Данное устройство также отличается малым быстродействием, низким допустимым напряжением нагрузки, имеет сложную схему.

Известно устройство для подключения конденсаторной батареи, содержащее два силовых коммутатора и систему управления ими.

Устройству также присущи малое быстродействие, низкое допустимее напряжение нагрузки, довольно сложная схема и предназначено для коммутации чисто емкостной нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для подключения конденсаторной батареи, содержащее зажимы для подключения батареи к сети, первый из которых соединен непосредственно с сетью, а второй - через силовой коммутатор, содержащий первый тиристор, анод которого соединен со вторым зажимом конденсаторной батареи и через первый резистор с управляющим электродом и катодом первого тиристора соответственно через первый и второй управляемые ключи, управляющие входы которых соединены соответственно с выходом блока задержки, соединенного с управляющим

сл

с

о ю о со сл о

О)

входом третьего ключа, и с выходом первого формирователя импульсов, соединенного с управляющим входом четвертого ключа, пятый ключ управления, первый вывод которого подключен к входам первого формирователя импульсов и блока задержки, а второй вывод заземлен, содержащее второй тиристор, второй и третий резисторы, второй формирователь импульсов и узел блокировки импульса, шестой и седьмой управляемые ключи, соединенные между собой встречно-параллельно, первыми общими выводами с первым зажимом конденсаторной батареи и первым входом узла блокировки импульса, а вторыми общими выводами - со вторым ее зажимом через третий резистор, управляющие входы этих ключей подключены к входу второго формирователя импульсов, первый вход которого соединен с.первым выводом пятого ключа, а второй вход - с выходом узла блокировки импульса, вторым входом подключенного к сети, в силовом коммутаторе второй тиристор подключен встречно-параллельно с первым тиристором, при этом анод второго тиристора соединен с первым выводом второго резистора, второй -вывод которого через третий управляемый ключ соединен с управляющим электродом второго тиристора и через четвертый управляемый ключ - с катодом этого тиристора.

С помощью данного устройства подключение конденсаторной батареи к сети начинается при замыкании пятого ключа. В этот момент с выхода первого формирователя импульсов подается сигнал на включение второго и четвертого ключей, второй (четвертый) ключ замыкается и через первый .(второй) резистор происходит заряд разряженного до нуля при выключении устройства конденсатора. 8 момент окончания заряда конденсаторной батареи до текущего значения напряжения сети вступает в работу второй (первый) тиристор, что означает начало установившегося режима работы включенного устройства. Этот режим поддерживается до размыкания пятого ключа благодаря замкнутым первому и третьему ключам. В момент размыкания пятого ключа снимается сигнал управления с первого и третьего ключей и сигнал блокировки с одного из входов второго формирователя импульсов. Если при этом ток проводящего тиристора спадает до нуля раньше снятия блокировки со второго входа второго формирователя импульсов, разряд конденсатора происходит через включившийся шестой (седьмой) ключ и третий резистор при выключенных тиристорах устройства. В противном случае проводящий тиристор

выключается принудительно сетью в процессе разряда конденсатора. В момент окончания тока разряда процесс выключения устройства заканчивается.

Недостатками данного устройства являются: значительная сложность электрической схемы устройства; возможность коммутации только чисто емкостной нагрузки; возможность протекания в сети и эле0 ментах устройства импульсных токов большой амплитуды при коммутации нагрузки.

Эти недостатки в основном обусловлены необходимостью достижения макси5 мального быстродействия устройства при коммутации емкостной нагрузки. При этом команда на коммутацию может быть подана в произвольную фазу переменного напряжения сети. В ряде случаев, когда команды

0 на коммутацию нагрузки синхронизирова- ны с сетевым напряжением либо когда максимальное быстродействие устройства не является необходимым, оно может быть существенно упрощено при сохранении ос5 новных достоинств. При возникновении необходимости коммутировать смешанную R-L-C нагрузку, например параллельный колебательный контур, либо нагрузку с неизвестным заранее значени0 ем ее Cos p, осуществить это с помощью известных устройств либо невозможно, либо технически очень сложно. . Цель изобретения - упрощение устройства и расширение его функциональных воз5 можностей достигается исключением из устройства цепей форсированного заряда конденсатора, узлов формирования и блокирования импульсов и применением датчика нуля напряжения для осуществления

0 простого и эффективного управления устройством. Это позволяет при увеличении максимальной задержки коммутации до полупериода напряжения сети, т.е. всего на 33% по сравнению с прототипом, и сохране5 нии всех его других преимуществ существенно упростить управление цепью разряда емкости нагрузки и тиристорами устройства. При этом устройство дополнительно приобретает способность коммутировать

0 практически любую пассивную R-L-C нагрузку.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для коммутации нагрузки переменного тока, содержащее зажимы для под5 ключения нагрузки, первый из которых предназначен для соединения нагрузки с сетью непосредственно, а второй - через первый и второй встречно-параллельно соединенные тиристоры, к управляющим электродам которых подключены первыми

выводами соответственно первый и второй ключи, а третий и четвертый ключи управляющими входами соединены с выходом фор- мирователя импульсов, между собой встречно-параллельно и подключены через резистор параллельно нагрузке, пятый ключ, шестой ключ, первый вывод которого соединен с общей шиной устройства, как и первый вывод пятого ключа, а вторые выводы пятого и шестого ключей соединены с первым выводом внешнего источника тока, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства, и управляющими входами первого и второго ключей, вторые выводы которых соединены с анодами соответственно первого и второго тиристоров, дополнительно содержит датчик нуля напряжения, выход которого подключен к входу формирователя импульсов и управляющему входу пятого ключа, а входы соединены с анодами тиристоров.

Сущность предполагаемого изобретения состоит в том, что введение в устройство датчика нуля напряжения, подключенного параллельно тиристорам, выход которого подключен к входам формирователя импульсов и пятого ключа при одновременном исключении из устройства цепей форсированного заряда емкости нагрузки, узлов формирования и блокирования импульсов, позволяет не только гарантировать невозможность включения тиристоров устройства при опасных для них значениях анодного напряжения, но и существенно упростить узел управления тиристорами. Упрощается также узел управления цепью разряда емкости нагрузки при сохранении, как у прототипа, невозможности длительной одновременной работы этой цепи и тиристоров устройства, сопряженной с протеканием через них сквозного тока сети. Положительный эффект предлагаемого устройства состоит в следующем: 1) существенно упрощается электрическая схема устройства - ис ключа- ются из него две цепи форсированного заряда емкости нагрузки и узел управления ими за счет гарантированного подключения нагрузки только в моменты перехода напряжения на тиристорах устройства через нуль независимо от фазы подачи команды на подключение нагрузки; 2)упрощается схема устройства также за счет исключения узла блокировки импульса и введения датчика нуля напряжения при одновременном упрощении узла формирования импульсов благодаря тому, что отключение нагрузки всегда происходит в момент естественного спада тока тиристора до нуля, а разряд емкости нагрузки начинается в момент появления напряжения на тиристорах устройства; 3) исключается в принципе возможность протекания в сети, элементах устройства и нагрузке при ее коммутации импульсных токов большой амплитуды за 5 счет коммутации нагрузки при нуле напряжения и тока тиристоров устройства; 4) существенно расширяются функциональные возможности в части обеспечения способности устройства коммутировать нагрузки 10 переменного тока с любым значением ее Cos р (от 0 емкостного до 0 индуктивного характера) за счет коммутации нагрузки при одновременном нулевом значении напряжения и тока тиристоров устройства и 15 обеспечения разряда емкости нагрузки в процессе ее отключения от сети.

На фиг. 1 представлена принципиальная блок-схема устройства идя коммутации нагрузки переменного тока; на фиг. 2 0 принципиальная электрическая схема; на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит нагрузку переменного тока с зажимами 1 и 2 для ее

5 подключения к сети, причем зажим 1 подключен к сети непосредственно, а зажим 2 - через соединенные встречно-параллельно тиристоры 3 и 4, к управляющим электродам которых подключены первыми

0 выводами соответственно ключи 5 и 6, а ключи 7 и 8 управляющими входами соединены с выходом формирователя 9 импульсов, между собой встречно-параллельно и подключены через резистор 10 параллельно

5 нагрузке. Устройство содержит ключи 11 и 12, первые выводы которых соединены с общей шиной устройства, а вторые соединены с первым выводом внешнего источника тока (не входящего в устройство), второй

0 вывод которого соединен с общей шиной устройства, и управляющими входами ключей 5 и 6, вторые выводы которых соединены с анодами тиристоров 3 и 4 соответственно и с входами датчика 13 нуля напряжения,

5 выход которого подключен к входу формирователя 9 импульсов и управляющему входу ключа 11, причем ключ 12 управляется внешним по отношению к устройству сигналом.

0 Ключи 5-8 могут быть выполнены на тиристоре или оптотиристоре. ключ 11 - на транзисторе, ключ 12 - на транзисторе или контактном устройстве.

Формирователь 9 импульсов может

5 быть выполнен в виде стандартных элементов - одновибратора, блокинг-генератора либо в виде сочетания источника напряжения, резистора и ключа. Датчик нуля напряжения может быть выполнен также на стандартных элементах - нуль-органах,

датчиках напряжения, компараторах либо в виде сочетания трансформатора напряжения, выпрямителя, резистора и ключа.

Принципиальная электрическая схема, реализующая в одном из возможных вариантов блок-схему устройства для коммутации нагрузки переменного тока (фиг. 2) содержит в качестве управляемых ключей 5-8 оптотиристоры 14-17. Ключ 11 выполнен на транзисторе 18 и резисторе 19. Переход база-эмиттер транзистора 18, вторичная обмотка 22 трансформатора 20, выпрямитель 23, конденсатор 24, резистор 25 с ключом на транзисторе 26 в совокупности представляет собой формирователь 9 импульсов. Еще одна вторичная обмотка 21 трансформатора 20, транзистор 26, резистор 27 и выпрямитель 28 в совокупности представляют собой датчик 13 нуля напряжения, который одновременно управляет работой формирователя 9 импульсов и ключа 11. Нагрузкой формирователя 9 импульсов являются последовательно соединенные светодиоды оптотиристоров 16 и 17, а таким же образом соединенные светодиоды оптотиристоров 14 и 15 являются нагрузкой внешнего источника тока при разомкнутых ключах 11 и 12.

На временных диаграммах напряжений и токов (фиг. 3) показаны: ось а - переменное напряжение сети (тонкая линия); ось а - напряжение на конденсаторе нагрузки, подключенном к зажимам 1 и 2 устройства (утолщенная линия); ось б-ток ключа 12; ось в - ток управления ключей 7 и 8; ось г - ток ключа 11; ось д- гипотетический ток установившегося режима, протекающий через конденсатор нагрузки при замкнутых посто- .янно тиристорах 3 и 4 (пунктирная линия); ось д- реальный ток конденсатора нагрузки (утолщенная линия); ось д - общий ток нагрузки (тонкая линия).

На фиг. 3 показаны процессы коммутации нагрузки, содержащей конденсатор, подключенный к зажимам 1 и 2 устройства. В случае опасности повреждения тиристоров устройства при коммутации нагрузки сверхтоком при включении и сверхнапряжением при выключении нагрузки.

Устройство работает следующим образом.

Замкнутое состояние ключа 12 означает отсутствие команды на включение устройства. При этом постоянный ток внешнего источника протекает только через ключ 12, тиристоры 3 и 4 выключены и к ним приложено напряжение сети, так как между зажимами 1 и 2 поддерживается нулевое напряжение в течение всего времени, пока ключ 12 замкнут. В моменты перехода напряжения на тиристорах устройства через нуль с выхода датчика нуля напряжения поступают кратковременные сигналы на размыкание ключа 11, который при этом

шунтирован замкнутым ключом 12. В моменты появления напряжения на тиристорах устройства с датчика 13 нуля напряжения поступают сигналы на вход формирователя 9 импульсов, который фор0 мирует сигналы управления ключами 7 и 8. Изменение проводимости ключей 7, 8 и 11 не может изменить состояние устройства и нагрузки до момента размыкания ключа 12. Предположим, что в момент to ключ 12 раз5 мыкается внешним сигналом, что означает поступление команды на включение устройства. В этот момент напряжение на тиристорах отличается от нуля, следовательно, ключ 11 замкнут и ток внешнего источника комму0 тируется с ключа 12 на ключ 11, а устройство при этом остается выключенным. В момент ti напряжение на тиристорах становится равным нулю, ключ 11 тоже размыкается, ток внешнего источника подается на входы

5 ключей 5 и 6 и они замыкаются. При появлении на одном из тиристоров устройства положительного анодного напряжения достаточной величины, он замыкается. Ток конденсатора нагрузки, подключенного к

0 зажимам 1 и 2, при этом скачком возрастает от нуля до амплитуды тока установившегося значения, т.е. переходный процесс отсутст- . вует. Далее устройство находится во включенном состоянии до замыкания ключа 12

5 (момент ta). В этот момент сигнал управления ключами 5 и 6 снимается, однако проводящий ток нагрузки тиристор продолжает работать до момента спада до нуля тока в нем - t3. После выключения тиристора и

0 появления на нем напряжения достаточной величины сигналом сдатчика нуля напряжения запускается формирователь 9 импульсов, ключи 7 и 8 замыкаются и конденсатор нагрузки разряжается до нуля через рези5 стор 10. Далее устройство находится в выключенном состоянии до очередного размыкания ключа 12 внешним сигналом, после чего происходит коммутация постоянного тока внешнего источника..аьалогично

0 рассмотренной для момента t0. В момент 14 , происходит включение тиристора так же. , как и в момент ti. Процесс выключения устройства в момент ts аналогичен процессу для момента тз. Включение устройства в

5 моменты t и tn происходит так же, как и в момент ti n т.д.

На фиг, 3 видно, что процесс включения устройства начинается с момента размыкания ключа 12 и всегда заканчивается в момент перехода напряжения на тиристорах

через нуль. Из этого следует, что максимальная задержка включения нагрузки относительно внешнего сигнала равна полупериоду напряжения сети, а минимальная - нулю. Задержка отключения нагрузки соответственно отсчитывается от момента замыкания ключа 12 до момента спада тока тиристоров (нагрузки) до нуля. Максимальное ее значение также равно полупериоду, минимальное - нулю.

Благодаря коммутации тиристоров при одновременном равенстве нулю их тока и напряжения отсутствуют сверхтоки и сверхнапряжения в элементах устройства при коммутации как емкостной, так и практически любой пассивной нагрузки с произвольным Cos p. Это свидетельствует о значительном расширении функциональных возможностей устройства по сравнению с прототипом.

В устройство (фиг. 2) формирователь 9 импульсов и датчик 13 нуля напряжения работают следующим образом.

Первичная обмотка трансформатора 20 включена параллельно тиристорам устройства. При выключенных тиристорах на второй обмотке 21 трансформатора 20 наводится переменное напряжение, которое через резистор 27, выпрямитель 28 приложено к переходу база-эмиттер транзистора 26, Пульсирующий ток базы обеспечивает протекание тока коллектора транзистора при выключенных тиристорах все время за исключением моментов перехода напряжения на них через нуль. Формирователь 9 импульсов состоит из второй вторичной обмотки 22 трансформатора 20, выпрямителя 23, конденсатора 24, резистора 25, которые обеспечивают протекание тока управления через оптотиристоры 16 и 17 при включении транзистора 26. Этот ток является одновременно и базовым током транзистора 18, что исключает возможность включения оп- тотиристоров 14 и 15 при наличии сигнала управления оптотиристоров 16 и 17. Обеспечивается также невозможность включения оптотиристоров 16 и 17 при включенных тиристорах 3 и 4 отсутствием напряжения на трансформаторе 20. Таким образом обеспечивается не только блокирование команды на включение устройства до снижения напряжения на его тиристорах до нуля, но и взаимное блокирование сигналов управления цепью разряда и тиристорами устройства. В остальном работа устройства на фиг. 2 не отличается от работы устройства по фиг. 1.

Использование предлагаемого изобретения позволяет одновременно значительно упростить устройство для коммутации нагрузки переменного тока и расширить его функциональные возможности по сравнению с прототипом. Благодаря исключению

5 форсированного заряда емкости нагрузки перед включением тиристоров устройства в нем отсутствуют цепи заряда и узлы управления ими, Исключение узла блокирования i импульса и применение одного датчика ну10 ля напряжения для управления формирователем импульсов и для блокирования команды на включение устройства обеспечивает его способность коммутировать практически любую пассивную нагрузку пе5 ременного тока, а не чисто емкостную, как у прототипа. Предлагаемое устройство может быть использовано для коммутации однофазных и трехфазных нагрузок. Пофазная коммутация нагрузок подробно рассмотре0 на выше. Для коммутации трехфазной нагрузки по общей для всех фаз команде достаточно использовать только два комплекта предлагаемого устройства, которые имеют один общий ключ 12, либо два синх5 ронно работающих ключа 12.

Формула изобретения Устройство для коммутации нагрузки переменного тока, содержащее зажимы для

0 подключения нагрузки, первый из которых предназначен для соединения нагрузки с сетью непосредственно, а второй - через первый и второй встречно-параллельно соединенные тиристоры, к управляющим элек5 тродам которых подключены первь выводами соответственно первый и второй ключи, а третий и четвертый ключи управляющими входами соединены с выходом формирователя импульсов, между собой .

0 встречно-параллельно и подключены через резистор параллельно нагрузке, пятый ключ, шестой ключ, первый вывод которого соединен с общей шиной устройства, отличающееся тем, что, с целью

5 упрощения устройства и расширения его функциональных возможностей, первый вывод пятого ключа соединен с с5щей шиной устройства, вторые выводы пятого и шестого ключей соединены с первым выво0 дом внешнего источника тока, второй вывод которого соединен с общей шиной устройства и управляющими входами первого и второго ключей, вторые выводы которых соединены с анодами соствет5 ственно первого и второго тиристоров и входами датчика нуля напряжения, выход которого подключен к входу формирователя импульсов и управляющему входу пятого ключа.

Сеть

Изобретение относится к электротехнике. Датчик нуля напряжения, подключенный параллельно тиристорам, выход которого подключен к входам формирователя импульсов и пятого ключа, позволяет гарантировать невозможность включения тиристоров при опасных для них значениях анодного напряжения и существенно упростить узел управления тиристорами. 3 ил.

Фиг. 2

Ист. /пока

Сеть