Дистанционное переключающее устройство Советский патент 1992 года по МПК H03K17/60 

to ел

00 00

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах управления объектами, находящимися в зоне, недоступной для размещения электронных элементов. Цель изобретения - повышение надежности в работе. Дистанционное переключающее устройство содержит ключевой элемент 1, питающую шину 2, первую 3 и вторую 5 обмотки исполнительного мезаниз- ма, протяженную линию 4 связи и диоды 6,7. Введение конденсатора 8, который включен параллельно обмотке 5, и включение диода 7 между шиной 2 и землей позволяют уменьшить число протяженных линий связи и устранить самопроизвольное отключение при аварийном снижении питающего напряжения. 2 ил.

ФиМ

Изобретение относится к технике систем автоматического управления, в частности к управляющим и исполнительным механизмам, и может быть использовано в системах регулирования и управления (с жесткими требованиями к массогабаритным характеристикам) объектами, находящими ся в горячей зоне, не доступной для размещения активных электронных элементов системы.

Известно переключающее устройство, содержащее ключевой элемент, один силовой вывод которого подключен к земле, а другой к обмотке исполнительного механизма, причем параллельно этой обмотке включен демпфирующий диод, а второй вывод обмотки подключен к источнику питания.

В этом устройстве при открывании ключа и достижении величины тока срабатывания исполнительный механизм включается. При запирании ключа и уменьшении тока через обмотку (ток через обмотку меньше тока удержания) устройство отключается.

Недостатком этого устройства является малое быстродействие выключения, обусловленное тем, что энергия, запасенная в индуктивности во время включенного состояния, расходуется на протекание тока через демпфирующий диод и туже обмотку в том же направлении,т.е. на удержание уст- 1 ройства во включенном состоянии.

Известно переключающее устройство, содержащее ключевой элемент, один силовой вывод которого соединен с землей, другой силовой вывод связан с обмоткой исполнительного механизма, второй вывод которой подключен к шине питания, параллельно обмотке исполнительного механизма включена цепочка из последовательно соединенных первичной обмотки трансформатора и диода в запертом направлении относительно полярности источника питания, причем один вывод вторичной обмотки трансформатора заземлен, а второй вывод через диод подключен к шине питания, параллельно обмотке исполнительного механизма включена вторая цепочка, состоящая из последовательно включеных кондесато- ра и диода причем параллельно диоду подсоединен резистор.

Данное известное устройство работает аналогично вышерассмотренному устройству, указанный недостаток которого частично устранен за счет передачи энергии магнитного поля обмотки (при выключении) источнику питания через трансформатор.

Недостатком этого известного устройства является необходимость рассеивания части энергии магнитного поля, обмотки исполнительного механизма на резисторе, что

приводит к дополнительному тепловыделению, ведущему к снижению надежности и КПД устройства.

Подключение второй цепочки ведет к

увеличению времени включения устройства.

Известно еще одно переключающее устройство, в котором с целью усовершенствования устройства вместо резистора

введена цепочка из индуктивности и включенного последовательно с ней диода. Цепочка подключена к точке соединения диода, конденсатора и вспомогательного источника питания.

Данное известное устройство работает аналогично предыдущим устройствам, однако энергия магнитного поля обмотки этого устройства используется лучшим образом за счет того, что она передается не

только основному источнику питания, но и вспомогательному.

Недостатком этого устройства является невозможность достижения приемлемого согласования источника и приемника энергии, что ведет к появлению выброса напряжения на обмотке исполнительного механизма, к дополнительному тепловыделению на активном сопротивлении обмотки, а также вызывает скачки напряжения в источниках питания, что обуславливает недостаточную надежность устройства.

Общим недостатком всех приведенных выше приведенных выше известных однообмоточных устройств является невозможность одновременного выполнения взаимоисключающих требований по надежности удержания (при аварийном снижении напряжения источника питания) и надежноети выключения при заданной надежности включения. Надежность удержания будет тем больше, чем меньше минимальный ток удержания, уменьшение которого достигается за счет увеличения рабочего хода якоря

магнитой цепи (во многих случаях рабочий ход якоря определяется функциональными требованиями к исполнительному органу электромагнитного механизма, например, электромагнитные клапаны, шаговые двигатели и т.д.) при этом надежность отключения падает, так как она становится зависимой от качества управляющего ключевого элемента (от величины неуправляемого тока запертого ключа, причем практически тем

большего, чем набольший номинальный ток включения рассчитан ключ). Указанные недостатки затрудняют применение однооб- моточи ых электромагнитных механизмов в ответственных системах с жесткими требованиями по надежности функционирования

без дополнительных аппаратурных затрат несмотря на очевидное преимущество -минимальное число линий связи с ключевым элементом - один провод второй - земля (масса)..

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является переключающее устройство, содержащее два ключевых элемента, первые силовые выво- ды которых подключены к первой шине источника питания, вторые силовые выводы - к первым выводам двух обмоток реле соответственно, управляющие входы ключевых элементов срединены с шинами парафазно- го управления, вторые выводы первой и второй обмоток реле через прямо включенные первый и второй диоды соответствено подключены к второй шине источника питания, третий диод подключен между первым вы- водом первой обмотки реле и вторым выво дом второй обмотки реле встречно второму диоду, а четвертый диод - между первым выводом второй обмотки реле и вторым выводом первой обмотки реле встречно перво- му диоду.

В этом устройстве при подаче отпирающего напряжения на базу второго транзистора через первую обмотку реле течет ток, который приводит к срабатыванию электро- магнитного реле.

При изменении полярности парафазно- го управляющего напряжения отпирается второй транзистор и запирается первый транзистор. При этом в первой обмотке на- водится ЭДС самоиндукции, которая через третий и четвертый диоды прикладывается к второй обмотке. Под действием этой ЭДС во второй обмотке протекает ток, который складывается с током через второй диод, Под действием этого суммарного тока происходит более быстрое переключение электромагнитного реле.

Первый и второй диоды предотвращают замыкание ЗДС самоиндукции по цепи, проходящей через источник питающего напряжения. Аналогично происходит форсированное переключение электромагнитного реле по первой обмотке при изменении полярности на шинах парйфаз- ного управления. ...

Недостатком данного устройства является ненормированные выброс напряжения, прикладываемый к запертому ключевому элементу, и время срабатыва- ния, которые зависят от сопротивления потерь обмоток, качества изоляции, паразитных емкостей, от внешних факторов среды и т.д. Первое присодит к снижению надежности (в частности к снижению надежности ключевых элементов), второе - к трудностям, связанным с обеспечением стабильности параметров системы управления (устойчивости, временных параметров и т.д.). Другим недостатком данного устройства является большое количество линий связи, которые увеличивают массу устройства. Это имеет определяющее значение в системах управления или регулирования объектами в горячей зоне, когда из-за невозможности расположения в ней активных электронных элементов системы вес соединительных проводов: превышает вес аппаратуры системы. С точки зрения достижения максимальной надежности необходим минимум электронных элементов в горячей зоне и минимум тепловыделения во избежание перегрева.

Цель - повышение надежности за счет упрощения устройства, уменьшение массы устройства и нормирование времени выключения.

Поставленная цель достигается тем, что в дистанционное переключающее устройство, содержащее ключевой элемент, первый силовой вывод которого соединен с питающей шиной, а управляющий вывод с шиной управления, первую обмотку исполнительного механизма, присоединенную первым выводом через протяженную линию связи к второму силовому выводу ключевого элемента, вторую обмотку исполнительного механизма, подключенную параллельно к первой обмотке через первый диод, включенный встречно по отношению к питающему напряжению,- второй диод, дополнительно введен конденсатор, включенный параллельно второй обмотке исполнительного механизма, второй диод, включенный между питающей шиной и землей встречно по отношению к питающему напряжению, а второй вывод первой обмотки дополнительного механизма соединен с .землей. ..

На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства; на фиг,2 - временные диаграммы, поясняющие.работу устройства.

Устройство содержит ключевой элемент 1, первый силовой вывод которого соединен с питающей шиной 2, а управляющий вывод с шиной управления, первую обмотку 3 исполнительного механизма, присоединенную первым выводом через протяженную линию связи 4 к второму силовому выводу ключевого элемента 1, вторую обмотку 5 исполнительного механизма, подключенную параллельно к первой обмотке 3 через первый диод 6, включенный встречно по отношению к питающему напряжению, второй

диод 7, включенный между питающей шиной и землей встречно по отношению к питающему напряжению, конденсатор 8, включенный параллельно второй обмотке 5 исполнительного механизма.

В устройстве осуществлено пространственное разделение с помощью протяженной линии 4 связи исполнительного механизма (так называемая горячая зона или зона исполнительного механизма) и остальной аппаратуры, содержащей активные электронные элементы (зона управления).

Устройство работает следующим образом.

Режим включения осуществляется при открытии ключа 1, при этом диод 6 заперт, токи через обмотку 5 отключения и конденсатор 8 не протекают и влияния на процесс включения не оказывают.

Режим отключения осуществляется при запирании ключевого элемент 1, при этом в обмотке 3 возбуждения (включения) возникает ЭДС самоиндукции, стремящаяся сохранить через обмотку 3 возбуждения прежнее значение тока возбуждения. При запертом ключе 1 ток обмотки 3 (з) замыкается по следующему контуру: обмотка 3, диод 6, далее разветвляется на параллельно включенные обмотку 5 и конденсатор 8, затем замыкается на обмотку 3. Так как в обмотке 5 возникает ЭДС самоиндукции, стремящаяся сохранить прежнее значение тока (равное нулю), то величиной тока через обмотку 5 по сравнению с током заряда конденсатора 8 можно пренебречь. Таким образом, энергия, запасенная в магнитном поле обмотки 3. почти полностью преобразуется в энергию заряженного конденсатора 8. Ток заряда конденсатора 8 изменяется по коси- нусоидальному закону, а напряжение на нем - по синусоидальному. Процесс заряда проходит в течение четверти периода собственных колебаний колебательного контура U, Се, где LS - индуктивность обмотки 3, Св - емкость конденсатора 8 (отрезок времени от момента отключения до ti (от 0 до ti, фиг.2).

Относительная .амплитуда напряжения на конденсаторе зависит от соотношения LS, Сз и практически не зависит от величины сопротивления потерь обмотки 3 и других паразитных параметров при реальной вели- чине Се (много большей паразитных емкостей).

В момент ц ток заряда Се становится равным нулю, а напряжение на нем максимально, при этом диод 6 запирается. Таким образом напряжение на Се оказывается приложенным к запертому диоду б, а не к

запертому ключу 1, т.е. запертый ключ 1 устройства оказывается в облегченном по сравнению с известным устройством.

В течение отрезка времени ti-t2 диод 6

заперт и Сз перезаряжается через обмотку 5 с индуктивностью LS. Процесс перезаряда длится в течение половины периода собственных колебаний контура Ls, Cs. В этот период под действием магнитного поля обмотки 6 (возбужденной TOKQM перезаряда Се) происходит выключение электромагнитного переключающего устройства. Практически вся энергия конденсатора Се расходуется в период n-t2 на механическую

работу выключения переключающего устройства. В период конденсатор Се перезаряжается через параллельно включенные La, LS в течение половины периода собственных колебаний контура L3xLs/(L3 +

+Ls), Се, который имеет .минимальный период относительно двух других рассмотренных выше контуров. В момент тз диод 6 запирается и повторяется процесс перезаряда, аналогичный процессу, происходящему в отрезок времени ti-t2. Практически вся энергия магнитного поля израсходована в период и амплитуды последующих стадий процесса чрезвычайно малы - на фиг.2 показаны условно. На фиг.2 обозначены з ток через обмотку 3, Is - ток через обмотку 5, ис - напряжение на конденсаторе 8.

Таким образом, выключение переключающего устройства под действием магнитного поля обмотки 6 (в период с ti по t2,

фиг.2), которое складывается с действием возвратной пружины (или другого аналогичного элемента) происходит даже если неуправляемый ток запертого ключа 1 больше тока удержания обмотки 3, что обеспечивает повышение надежности выключения.

Плавное аварийное снижение напряжения источника питания И(ИЛИ) цепей управления ключевого элемента 1 не вызывает ЭДС самоиндукции обмотки 3 значительной

величины. При скачкообразном снижении напряжения питания ЭДС самоиндукции замыкается через открытый ключевой элемент 1 и диод 7, а не заряжает конденсатор 8.

Произвольное выключение механизма возможно только при снижении тока через обмотку 3 меньше значения тока удержания обмотки 3, которое может быть в конкретной реализации устройства выбрано практически любым, так как не лимитировано снизу требованием по надежности отключения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение значительно прощэ по сравнению с известным, так как в нем при

сохранении функций устройства уменьшено количество радиоэлементов, причем еще более уменьшено количество радиоэлементов в горячей зоне. Транзистор ключевого элемента работает в облегченном режиме благодаря введенному конденсатору, т.е. импульс напряжения при выключении, действующий на запертый ключевой элемент, имеет ограниченную амплитуду и нормированную длительность, которые значительно стабильнее по сравнению с известным устройством при технологических разбросах паразитных параметров исполнительного устройства и климатических воздействиях; По вышеприведенным причинам предлага- емое техническое решение обладает большей надежностью, чем известное.

Также за счет введения конденсатора нормируется время выключения устройст- ва, так как выключение происходите период от ti до t2 (фиг.2), что обеспечивает возможность создания более надежных (за счет упрощения корректирующих звеньев) и устойчивых систем автоматического управ- ления, содержащих звенья с дистанционными переключающими устройствами,

имеющими нормированное время выключения).

Масса предлагаемого устройства меньше массы известного так как линия связи имеет один провод, а не два.

Формула изобретения Дистанционное переключающее устройство, содержащее ключевой элемент, первый силовой вывод которого соединен с питающей шиной, а управляющий вывод - с шиной управления, первую обмотку исполнительного механизма, присоединенную первым выводом через протяженную линию связи к второму силовому выводу ключевого элемента, вторую обмотку исполнительного механизма, подключенную к первой обмотке через первый диод, включенный встречно по отношению к питающему напряжению, второй диод, о т л и ч а ю щ е ее я тем, что, с целью повышения надежности в работе, введен конденсатор, который включен параллельно второй обмотке исполнительного механизма, второй диод включен между питающей шиной и землей встречно по отношению к питающему напряжению, а второй вывод первой обмотки исполнительного механизма соединен с землей.