Способ обеспечения искробезопасности электрических цепей и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК E21F9/00 H02H7/00 

( СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИСКРОЕЕЗОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ-ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

1

Изобретение относится к электротехйике и может быть использовано на предприятиях со взрывоопасной атмосферой, в том числе на предприятиях горной, нефтехимической и газовой промышленности.

Известен способ обеспечения искробезоплсности выходных цепей источников питания и устройство для его осуществления. Способ основан на контроле скорости изменения тока в нагрузке, по наведенной на индуктивности электродвижущей силе, воздействующей на быстродействующий выключатель. Устройство, осуществляющее упомянутый способ, состоит из искроопасного источника питания, измерительной индуктивности и нагрузки 1. .

Недостатком известного способа и соответственно устройства для его осуществления является низкий коэффициент использования искробезопасной мощности, что объясняется отсутстви-; рм средств ограничения возрастания

максимального выходного напряжения при вероятном увеличении сопротивления нагрузки.

Известен также способ обеспечения искробезопасности выходных цепей источников питания и устройство для его осуществления. Способ основан на контроле скорости измерения тока в нагрузке и дополнитель, формировании сигнала, пропеоционального скорости

10 увеличения напряжения питания, и в воздействии на быстродействующий переключатель результируюи1им сигналом. Устройство, осуществляющее упомянутый способ, состоит из искроопасного ис15точника питания, измерительной индуктивности, диодного моста, быстродействующих тиристорных ключей, кондснса тора и нагрузки Г21.

Недостатками известного способа и, соответственно, устройства для его осуществления являются: низкий коэффициент использования искробезопас- , ной мощности, что объясняется отсут-, 390 ствием средств ограничения возрастания максимального выходного напряжения при увеличении сопротивления нагрузки; неприменимость для обеспече,ния искробезопасности цепей переменного тока, НТО объясняется несимметричным выполнением быстродействующего выключателя и узла контроля скорости изменения тока выполненного в виде индуктивности. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ контроля начала коммутации искробезопасных энергоемких цепей, в котором с целью обеспечения искробезопасности цепей переменного тока осуществляется контроль начала коммутации путем выделения из спектра частот, возникающих при коммутации, гармоник, частоты которых выше основ ной частоты источника питания и воздействии высокочастотным сигналом на быстродействующие, например, тиристорные выключатели. Таким образом, указанный способ обеспечивает искробезопасность цепей, питаемых от искр безопасного источника переменного на пряжения 3. Устройство для осуществления выше приведейного способа содержит первич ный источник постоянного напряжения, формирователь переменного напряжения (инвертор), разделительный трансформатор, узел искрозащиты, подключенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой и содержащий фильтры высокой частоты и тиристоры, подключенные к ним, а также быстродействующий тиристорный ключ, коммутирующий выход первичного источника питания постоянного тока. В устройстве первичный источник питания постоянного напряжения, инвертор и разделительный трансформатор образуют искроопасный источник переменного напряжения . Недостатком известного способа и, соответственно, устройства для его осуществления, является низкий коэффициент использования искробезопасной мощности, что объясняется отсутствием средств ограничения возрастания максимального выходного напряжения при увеличении сопротивления нагрузки. Указанный недостаток сужает область применения известного способ и, соответственно, устройства для его осуществления и не позволяет применитьего для создания искробезопасных систем переменного тока с ограниченным диапазоном изменения сопротивления нагрузки, например для создания искробезопасных генераторных устройств для подземной геоэлектроразведки. Цель изобретения - повышение коэффициeнta использования искробезопасной мощности. Указанная цель обеспечивается способом, включающим выделение из спектра частот, возникающих при коммутации, гармоник, частота которых выше основной частоты источника переменного напряжения, и управление выделенными гармониками быстродействующими выключателями, в котором осуществляется формирование сигнала, пропорционального сопротивлению нагрузки и воздействие полученным сигналом на частотный спектр выходного напряжения упомянутого источника. Устройство для обеспечения упомянутого способа, содержащее первичный, источник питания постоянного тока, инвертор, разделительный трансформатор, узел искрозащиты, состоящий из фильтров высокой частоты и тиристоров, дополнительно снабжено дросселем, включенным между первичным источником питания и инвертором. На чертеже изображена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа. Устройство содержит первичный источник 1 питания постоянного тока, подключенный с помощью дросселя 2 к инвертору 3, выход которого подсоединен к первичной обмотке трансформатора k. При этом вторичная обмотка упомянутого подключена к фильтрам 5 и 6 высокой частоты, выходы которых подсоединены к тиристорам 7 и 8, подключенным к нагрузке 9. При этом первичный источник 1, дроссель 2, инвертор 3 и разделительный трансформатор Ц образуют искроопасный источник переменного напряжения, а фильтры высокой частоты 5 и 6 и подключенные к ним тиристоры 7 и 8 образуют узел искрозащиты. Предлагаемый способ реализуется за счет того, что из спектра частот, возникающих при коммутации, выделяют гармоники, частота которых лежит выше основной частоты источника переменного напряжения. При этом, с увеличением сопротивления нагрузки увеличивается относительная амплитуда высокочастотных колебаний. Такое регулирование высокочастотных колебаний осуществляется при помощи специального устройства, например дросселя с определенной индуктивностью. При этом сигнал, пропорциональный сопротивлению нагрузки, воздействует на длительность фронтов выходного на пряжения источника переменного тока. Относительная амплитуда достаточна для срабатывания быстродействующих выключателей при каждой коммутации нагрузки. Таким образом, формируют сигнал, пропорциональный сопротивлению нагрузки и полученным сигналом воздействуют на частотный спектр источника. Устройство работает следующим образом. Инвертор 3) питаемый от первичного источника 1 постоянного тока через дроссель 2, вырабатывает с помощью трансформатора Ц в цепи нагрузки сигнал заданной основной частоты тра пецеидальной формы, т.е. с плоской вершиной и конечной длительностью. .Фильтры 5 и 6 и тиристоры 7 и 8, соответственно, образуют узел искрозащиты, шунтирующий выходную цепь пр появлении в цепи нагрузки высокочастотных колебаний, Искроопасный источник переменного напряжения с регулируемым частотным спектром переменного напряжения реализован в устройстве совокупностью блоков, состоящей из первичного исто ника 1, дросселя 2, инвертора 3 и разделительного трансформатора t. Регулирование частотного спектра выходного напряжения инвертора 3, т.е. регулирование длительности фрон тов и формирование сигнала. Пропорционального сопротивлению нагрузки 9 осуществляется дросселем 2. При этом связь дросселя 2 с целью нагрузки 9 осуществляется по магнитному потоку разделительного трансформатора . В нормальном режиме, т.е. при отсутствии коммутации нагрузки и при сопротивлении нагрузки ниже максималь ного, длительность фронтов напряжения, вырабатываемого инвертором 3, велика, в силу этого высокочастотная составляющая на вторичной обмотке трансформатора , выделенная фильтрами 5 и 6, недостаточна для срабатывания тиристоров 7 и 8, тем самым обеспечивается энергопитание нагрузки в нормальном режиме.

При коммутации цепи нагрузки возникает электрический разряд, при этом на вторичной обмотке трансформатора i возникает скачок напряжения, заполненный высокочастотными колебаниями, которые, проходя через фильтры 5 и 6, поступают на управляющие электроды тиристоров 7 и 8, вызывая срабатывания того из них, для которого в данный момент времени потенциал анода положителен относительно потенциала катода. При этом обеспечивается шунтирование выходной цепи устройства и, тем самым, ее искробезопасность. Для срабатывания тиристоров 7 и 8 необходимо, чтобы на их управляющие электроды поступало напряжение с амплитудой, превышающей некоторый пороговый уровень и в течение времени, достаточного для срабатывания. При трапецеидальной форме напряжения на вторичной обмотке трансформатора А условие срабатывания тиристоров 7 и 8 определяется из условия: J. где Тф - длительность фронта трапецеидального напряжения на вторичной обмотке трансформатора k; амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора ; время срабатывания тиристоров 7 и 8; напряжение срабатывания тиристоров 7 и 8. Длительность фронта выходного напряжения инвертора 3 определяется постоянной времени цепи, образованной последовательным включен 1ем индуктивности дросселя 2, внутренним сопротивлением источника 1 и сопротивением нагрузки, пересчитанным в первичную цепь трансформатора и рассчитывается по выражению: L InIO Т индуктивность дросселя 2; де L N коэффициент трансформации трансформатора ; R - сопротивление нлгрузки 9; RQ - внутреннее сопротивление источника 1. В вышеприведенном соотношении длительность фронта Тф отсчитывается между уровнями 0,1 и 0,9 от установившегося значения UQ. Таким образом, включение дросселя Z последовательно между инвертором 3 и первичным источником постоянного тока 1 обеспечивает регулирование частотного спектра напряжения инвертора 3 (и, следовательно, спектра напряжения на вторичной обмотке разделительного трансформатора i) путем обеспечения зависимости длительности фронта Тф от сопротивления нагрузки RH- При увеличении сопротивления нагрузки R происходит уменьшение длительности фронта Тф, примем, при про чих равных условиях, чем больше индуктивность дросселя 2, тем это изме нение длительности фронта, а следова тельно, и частотного спектра выходного напряжения инвертора 3 больше. При этом для обеспечения максималь.ной крутизны регулирования частотного спектра выходного напряжения инвертора 3 и обеспечения срабатывания тиристоров 7 и 8 (и, тем самым, ограничение возрастания максимального выходного напряжения) при увеличении сопротивления нагрузки выше некоторого максимального значения Rfnay. необходимо, чтобы индуктивность дросселя 2 удовлетворяла условию: и /R amdy/ may. индуктивность дросселя 2; время срабатывания тиристоров 7 и 8; напряжение срабатывания тиристоров 7 и 8; коэффициент трансформации разделительного трансформатора ; максимальное значение сопротивления нагрузки 9 при котором происходит срабатывание тиристоров 7, 8; ( максимальное напряжение на вторичной обмотке тран-,5 сформатора Ц при сопротивлении нагрузки 9, равной 9 о 5 50 08 Выполнение устройства с дросселем, индуктивность которого удовлетворяет вышеприведенному значению, является оптимальным, что проверено экс.периментально. Преимущества предлагаемого способа и устройства заключаются также в том, что обеспечивается увеличение амплитуды скачка напряжения, заполненного высокочастотными колебаниями, возникающего на вторичной обмотке трансформатора в момент коммутации нагрузки 9 и тем самым обеспечивается повышение быстродействия срабатывания тиристорных ключей 7 и 8 и, следовательно, повышается надежность устройства, что может быть использовано для создания искробезопасных цепей переменного тока повышенной мощности. Способ и устройство для его осуществления могут быть применены, в частности, для создания искробезопасного генераторного устройства для подземной электроразведки. Предлагаемый способ и устройство для его осуществления обеспечивают создание искробезопасных источников питания повышенного напряжения, например, генераторных устройств для зо подземной электроразведки, отличающихся повышенным коэффициентом использования искробезопасной мощности по сравнению с известными способами и устройствами. 35 Формула изобретения 1. Способ обеспечения искробезопасности электрических цепей, основанный на выделении из спектра частот, возникающих при коммутации гармоники, частота которых выше основной частоты источника переменного напряжения, формировании высокочастотного сигнала, пропорционального выделенным гармоникам и управлении упомянутым сигналом быстродействующими выключателями, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента использования искробезопасной мощности, формируют сигнал, пропорциональный сопротивлению нагрузки, и полученным, сигналом воздействуют на частотный спектр выходного напряжения упомянутого источника. 2, Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее искроопас99092ный источник переменного напряжения, выполненный на последовательно соединенных первичном источнике питания, инверторе и разделительном трансформаторе, узел искрозащиты, подключен- 5 ный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой и выполненный на фильтрах высокой частоты и тиристорах, подключенных к ним, отличающееся тем, что, с целью to повышения коэффициента использования искробезопасной мощности, устройство дополнительно снабжено дросселем, включенным между первичным источником питания постоянного тока и инвертором,is при этом значение индуктивности дросселя выбирается из соотношения 2,3 и индуктивность дросселя; время срабатывания тиристоров;20 25 напряжение грабатывания тиристоров; коэффициент трансформации разделительного трансформатора;внутреннее сопротивление первичного источника питания постоянного тока; максимальное значение сопротивления нагрузки; напряжение на вторичной обмотке разделительного трансформатора при значении сопротивления нагрузки, равном максимальному. Источники информации, нятые во внимание при экспертизе 1, Авторское свидетельство СССР 3660, кл. i 21 F 9/00, 19б5. 2. Авторское свидетельство СССР 9«126, кл. Н 03 К 17/06, 1966. 3. Авторское свидетельство СССР 73016, кл, I 21 F 5/00, 197. k. Авторское свидетельство по зае № 2818625/2 4-07, кл. E21F5/CO, 9.

00

и

1

J