Гібридний комутаційний апарат змінного струму

Гібридний комутаційний апарат змінного струму, що містить у кожному полюсі головні контакти, паралельно яким підімкнений силовий безконтактний ключ, що складається з двох керованих безконтактних елементів, підімкнених у прямому та зворотному напрямках один відносно одного, а також спільні для нього елементи: мостовий випрямляч з ємнісним фільтром, малопотужний транзисторний ключ та малопотужний безконтактний ключ, підімкнений паралельно входу малопотужного транзисторного ключа, стабілітрон, який відрізняється тим, що у кожний його полюс додатково введений магніторезистивний датчик струму, підковоподібний магнітопровід якого охоплює струмопровід головного кола апарата на відрізку, U 2 (19) 1 3 замикання при електродинамічному відкиданні контактів, через наявність трансформатора струму контактор має значні масу та габарити і підвищену трудомісткість виготовлення. Також відомий гібридний комутаційний апарат (контактор) для бездугової комутації, кожний полюс якого містить головні контакти, силовий безконтактний ключ, що складається з двох зустрічно-паралельно включених тиристорів або одного симістора, трансформатора струму з магнітопроводом, первинна обмотка якого з'єднана послідовно з головними контактами, а силовий безконтактний ключ підімкнений паралельно головним контактам; кожна вторинна обмотка підімкнена через випрямляч до керуючого кола силового безконтактного ключа, що шунтує послідовне коло: головні контакти трансформатор струму; з метою захисту керованих безконтактних елементів при короткому замиканні у головному колі у коло керування кожним керованим безконтактним елементом введено послідовне коло, що складається з джерела запираючої напруги порогового елемента та малопотужного тиристорного ключа, що керується датчиками струму і швидкості зростання струму у колі головних контактів (Авторское свидетельство СССР №335728, кл. Н 01 Н 9/30, Б.И. №13, 1969). Цей контактор має захист при протіканні наскрізних струмів короткого замикання, інші недоліки залишились і усугубились суттєвим ускладненням схеми керування. Найбільш близьким за технічною сутністю до запропонованого є обраний як прототип гібридний комутаційний апарат (контактор) змінного струму, кожний полюс якого містить головні контакти, силовий безконтактний ключ, що складається з двох керованих безконтактних елементів, підімкнених у прямому та зворотному напрямках відносно один до одного, трансформатор струму з магнітопроводом, випрямляч та малопотужний безконтактний ключ, малопотужний транзисторний ключ, від якого через випрямляч з ємнісним фільтром приєднаний до вторинної обмотки трансформатора струму, а між його вхідними електродами підключений малопотужний безконтактний ключ, причому його керуючий електрод через стабілітрон приєднаний до виходу випрямляча, до якого підключений змінний резистор, вихідні ж електроди цього малопотужного транзисторного ключа через обмежуючий резистор та запобіжник підімкнені між анодною та катодною групою діодів додатково введеного випрямного моста, при цьому кожний з катодів діодів анодної групи приєднаний до керуючих електродів силового безконтактного ключа, а кожен з анодів катодної групи приєднаний до його протилежних вихідних електродів (Патент на корисну модель №22023, Н 01 Н 9/30, Н 01 Н 9/54, Бюл. №4, 2007). Цей контактор має захист при протіканні наскрізних струмів короткого замикання, однак велика кількість витків вторинної обмотки трансформатора струму, яка при великих номінальних струмах апарату (більше 160А) 30660 4 становить десятки тисяч, що обмежує зверху зону номінальних струмів, при яких є доцільним використання даного апарату, додатково підвищує трудомісткість виготовлення та знижує надійність апарату, він також має зону існування дугового розряду при комутації. В основу корисної моделі поставлено завдання удосконалення гібридного комутаційного апарату змінного струму, в якому введення нових конструктивних елементів та зв'язків дозволило б забезпечити бездугову комутацію кола як при включенні апарату, так і при його вимиканні, забезпечити відсутність зони можливої комутації з дугою, подачу живлення на схему керування тільки при протіканні струму через головні контакти, знизити габарити та масу, а також знизити трудомісткість виготовлення комутаційного апарату завдяки уникненню використання трансформатора струму, спростити схему керування та підвищити надійність апарату . Поставлене завдання обумовлене тим, що у відомих гібридних комутаційних апаратах змінного струму, які містять силовий безконтактний ключ, підключений паралельно головним контактам, при короткому замиканні у мережі в момент електродинамічного відкидання головних контактів по керованим безконтактним елементам протікає дуже великий струм, який викликає їх порушення, або він усувається за рахунок складного схемного рішення та підвищеної витрати міді в обмотках трансформатора струму, також існує достатньо широка зона існування дугового розряду при комутації. Поставлене завдання вирішується тим, що у гібридний апарат змінного струму, який містить у кожному полюсі головні контакти, паралельно яким підімкнений силовий безконтактний ключ, що складається з двох керованих безконтактних елементів, підімкнених в прямому та зворотному напрямках відносно один до одного, а також спільні для нього елементи: мостовий випрямляч з ємнісним фільтром, малопотужний транзисторний ключ та малопотужний безконтактний ключ, підімкнений паралельно входу малопотужного транзисторного ключа, згідно з корисною моделлю у кожний його полюс введений магніторезистивний датчик струму, підковоподібний магнітопровід якого охоплює струмопровід головного кола апарату на відрізку, розташованому між головними контактами і точкою під’єднання силового безконтактного ключа, а у повітряний зазор магнітопроводу введений магніторезистор, вихідні же клеми апарату через обмежуючі конденсатори підімкнені до входу мостового випрямляча, а паралельно виходу випрямляча підімкнений стабілітрон, також паралельно виходу випрямляча підімкнені через обмежуючі резистори вищезазначені магніторезистори, при цьому виходи кожного магніторезистивного датчика струму через розділяючі діоди і обмежуючий резистор підімкнені до вхідного кола малопотужного транзисторного ключа, у вихідне коло якого послідовно підімкнені вхідні кола додатково введених оптронних симісторів у кількості, що дорівнює числу полюсів апарату, а їх 5 вихідні кола підімкнені через резистор між керованими електродами кожного з силових безконтактних ключів, вхід же малопотужного безконтактного ключа підімкнений через стабілітрон до спільної точки з'єднання розділяючих діодів. Замість оптронних симісторів можуть бути застосовані магнітокеровані контакти (геркони) керуючі котушки яких увімкнені у вихідне коло малопотужного транзисторного ключа, а безпосередньо контакти відімкнені через резистор між керованими електродами кожного з силових безконтактних ключів. Пропонований апарат відрізняється від прототипу тим, що у якості датчику струму використано магніторезистивний датчик струму, також на відміну від прототипу у пропонованому апараті є спільні для всіх полюсів конструктивні вузли, що забезпечує зниження трудомісткості виготовлення апарату, його маси та габаритів, вартості, також у пропонованому апараті завдяки введенню нових елементів забезпечується відсутність зони комутації з дугою при розмиканні головних контактів, а внаслідок цього підвищення надійності роботи пристрою при зменшеннях ціни та габаритів. Сутність винаходу полягає в тому, що введення магніторезистивного датчика струму дозволяє суттєво зменшити габарити комутаційного апарату, спростити схему керування силовим безконтактним ключем і підвищити надійність роботи, забезпечення живлення схеми керування силовим безконтактним ключем через обмежуючі конденсатори суттєво знижує витрати активної потужності у цій схемі, тобто вирішується поставлене завдання. На Фіг. 1 показаний гібридний комутаційний апарат змінного струму, виконаний з використанням оптронних симісторів, на Фіг. 2 показані осцилограми напруг на виході датчиків струму, на Фіг. 3 показаний гібридний комутаційний апарат змінного струму, виконаний з використанням магнітокерованих контактів (герконів). Цей комутаційний апарат містить у кожному полюсі головні контакти 1, паралельно яким підімкнений силовий безконтактний ключ 2, що складається з двох безконтактних керованих елементів, підімкнених в прямому та зворотному напрямках відносно один до одного, мостовий випрямляч 3 з ємнісним фільтром, малопотужний транзисторний ключ 4 та малопотужний безконтактний ключ 5, підімкнений паралельно входу малопотужного транзисторного ключа 4, у кожному полюсі введений магніторезистивний датчик струму 6, підковоподібний магнітопровід якого охоплює струмопровід головного кола апарату на відрізку, розташованому між головними контактами 1 і точкою під'єднання силового безконтактного ключа 2, а у повітряний зазор магнітопроводу введений магніторезистор 7, вихідні же клеми апарату через обмежуючі конденсатори 8 підімкнені до входу випрямляча 3, а паралельно виходу випрямляча 3 підімкнений стабілітрон 9, також паралельно виходу цього 30660 6 випрямляча 3 підімкнені через обмежуючі резистори 10 вищезазначені магніторезистори, при цьому виходи кожного магніторезистивного датчика струму 6 через розділяючі діоди 11 і обмежуючий резистор 12 підімкнені до вхідного кола малопотужного транзисторного ключа 4, у вихідне коло якого послідовно підімкнені вхідні кола додатково введених оптронних симісторів 13 у кількості, що дорівнює числу полюсів апарату, а їх вихідні кола підімкнені через резистор 14 між керованими електродами кожного з силових безконтактних ключів 2, вхід же малопотужного безконтактного ключа 5 підімкнений через стабілітрон 15 до спільної точки з’єднання розділяючих діодів 11. На приведеному рисунку в якості безконтактних керованих елементів застосовуються тиристори, а в якості малопотужного безконтактного ключа малопотужний транзистор. Причому елементи апарату 1 та 2 утворюють головне силове коло апарату, а елементи 3-15 - схему керування силовим безконтактним ключем. У відключеному стані апарату головні контакти 1 розімкнені, на схему керування силовим безконтактним ключем живлення не подається. Силовий безконтактний ключ у цей час знаходиться під впливом фазної напруги мережі. При включенні апарату при замиканні головних контактів 1 напруга живлення подається на схему керування через обмежуючі конденсатори 8, чим забезпечується живлення схеми керування силовим безконтактним ключем 2, причому наявність обмежуючих конденсаторів 8 забезпечує низький рівень споживаної активної потужності, що споживається схемою керування. При виникненні струму у головному колі в зазорі підковоподібного магнітопровода виникає магнітний потік, що призводить до зростання опору магніторезистора 7. Напруги на кожному з магніторезисторів у найбільш розповсюдженому (триполюсному) виконанні апарату будуть зсунуті на кут 2p 3 за фазою, тому форма напруги між (U ) точками а і д ад буде мати вигляд, як показано на Фіг. 2. Цієї напруги достатньо для включення малопотужного транзисторного ключа 4, навіть при струмах суттєво нижчих за номінальний струм апарату, у зв’язку з різкою залежністю опору магніторезистора від магнітної індукції поля. Причому опір магніторезистора обирають таким, що при протіканні струмів, за яких має місце електродинамічне відкидання контактів, величина U напруги ад (осцилограма 1 на Фіг. 2) перевищує поріг спрацьовування малопотужного безконтактного ключа 5, що шунтує вхід малопотужного транзисторного ключа 4, а при комутації неаварійних робочих струмів напруги Uад (осцилограма 2 на фіг. 2) завжди достатньо для включення малопотужного транзисторного ключа 4, причому струм у його колі є достатнім для створення необхідного струму керування оптронними симісторами 12. Оскільки падіння 7 напруги на замкнених головних контактах у режимі робочих струмів не перевищує 0,5В, то його буде недостатньо для включення силового безконтактного ключа 2 навіть при наявності достатнього за величиною струму керування у вхідному колі оптронних симісторів 13. При відключенні апарату при розмиканні головних контактів 1 відбувається різке зростання падіння напруги на них, під дією якого через резистор 14 і оптронний симістор 13 відбувається включення тиристора силового безконтактного ключа 2, провідність якого відповідає напрямку струму у колі головних контактів 1. Струм з кола головних контактів 1 та магніторезистивного датчика струму 6 переходить у коло силового безконтактного ключа 2. При повному перетіканні струму з кола головних контактів 1 напруга на виході датчика струму 6 знижується нижче порогу спрацьовування малопотужного транзисторного ключа 4 (осцилограма 3 на Фіг. 2) і схема керування силовим безконтактним ключем знеструмлюється. Максимальне пряме падіння напруги на відкритому силовому безконтактному ключі 2 не більше 1,5-2,0В, що є недостатнім для виникнення дуги на головних контактах 1. Слід зазначити, що в момент переходу струму з кола головних контактів через наявність індуктивності у контурі комутації (головні контакти разом з силовим безконтактним ключем) виникає коротка дуга, однак цей процес через мале значення вказаної індуктивності протікає кілька десятків мікросекунд і тому не завдає суттєвого впливу на комутаційну зносостійкість головних контактів. Повне відключення комутуємого кола відбувається при переході через нуль струму в тиристорі силового безконтактного ключа 2. При цьому також переривається подача живлення через обмежуючі конденсатори 8 на схему керування силовим безконтактним ключем 2. Силовий безконтактний ключ 2 шунтує головні контакти 1 не тільки при їх розмиканні, але й при вібраціях у момент вмикання апарату. При протіканні наскрізних струмів короткого замикання, коли є можливим електродинамічне U відкидання контактів, величина напруги ад вже стає достатньою для пробою стабілітрона 15, що вмикає малопотужний безконтактний ключ 5, через що малопотужний транзисторний ключ 4 вимикається (він шунтується малопотужним безконтактним ключем 5 за входом) і силовий безконтактний ключ 2 не вмикається, тобто не зазнає порушень у разі протіканні наскрізних струмів короткого замикання, що перевищують рівень припустимих короткочасних струмів керованих безконтактних елементів цього ключа. З метою зниження вартості пропонованого комутаційного апарату пропонується замість оптронних симісторів 13 застосовувати магнітокеровані контакти (геркони), керуючі котушки яких включені у вихідне коло малопотужного транзисторного ключа 4, а безпосередньо контакти включені через резистор 13 між керуючими електродами кожного з силових 30660 8 безконтактних ключів 2 (Фіг. 3). Працює апарат аналогічно апарату, наведеному на Фіг. 1. Магнітокеровані контакти в пропонованому апараті розмикають коло керування силовим безконтактним ключем 2 у момент, коли коло головних контактів 1 шунтоване цим ключем, тобто при напрузі, як це вже вказувалось, не більше 1,52,0В. Вмикаються ці контакти ще при меншому значенні напруги, що визначається падінням напруги на замкнених головних контактах 1. Такий полегшений режим бездугової комутації герконів у даному апараті дозволяє наблизити рівень їх комутаційної зносостійкості до рівня механічної, яка у сучасних герконів перевищує десятки мільйонів циклів. Звісно за швидкодією та ударостійкістю цей апарат поступається апарату, наведеному на Фіг. 1. Однак, у більшості областей застосування гібридних апаратів ці недоліки не є визначальними. Пропонований гібридний комутаційний апарат змінного струму має підвищений термін служби та підвищену надійність роботи при зменшених габаритах та вартості за рахунок того, що у відключеному стані апарату схема керування знеструмлена, уникненню використання трансформатора, що забезпечує підвищення технологічності виробництва апарату, зменшення кількості конструктивних вузлів, спрощення схеми керування безконтактними елементами силового безконтактного ключа 2. Пропонований гібридний комутаційний апарат забезпечує відсутність зони комутації з дугою як при включенні, так і при вимиканні апарату, його робота не залежить від типу приводу, який забезпечує комутацію контактної системи апарату, тому він може застосовуватися як апарат керування, так і захисту. В порівнянні з існуючими апаратами цього типу за рахунок запропонованих схемних рішень та економного режиму роботи комплектуючих у нього зменшені габарити і ціна та підвищена надійність його роботи. Цей апарат доцільно застосовувати у тяжких режимах експлуатації, наприклад при частих пусках асинхронних двигунів, в умовах підвищених вимог з вибухобезпеки, пожежобезпеки і т. ін. 9 30660 10