Гібридний двополюсний контактор постійного струму

Гібридний двополюсний контактор постійного струму, який містить у кожному полюсі по одному головному контакту, які відрегульовані з можливістю розмикання другого головного контакту пізніше розмикання першого, реле струму, увімкнене послідовно з першим головним контактом, повністю керований напівпровідниковий ключ, наприклад, двоопераційний тиристор або IGBT-транзистор, увімкнений паралельно реле струму і першому головному контакту, при цьому його вхідне коло через замикаючий контакт реле струму, діод та резистор підімкнене паралельно першому головному контакту, конденсатор та обмежувач напруги, що увімкнені паралельно вхідному колу повністю керованого ключа, пристрій примусової комутації, який складається з комутуючого тиристора, комутуючого конденсатора та обмежуючого резистора, елемент затримки часу, який складається з резистора та конденсатора і увімкнений паралельно U 2 63999 1 3 ки тиристора і комутуючого конденсатора блока ємнісної примусової комутації [1]. Цей контактор забезпечує практично бездугову комутацію головних контактів як при включенні, так і при вимиканні контактора, а також гальванічну розв'язку між мережею та навантаженням. Однак цьому контактору властиві такі недоліки: його не можна застосовувати в реверсивних схемах вмикання; пристрій примусової комутації основного тиристора має великі габарити, масу та високу вартість через використання у ньому як комутуючого конденсатора дорогого неполярного конденсатора великої ємності, розрахованого на велику робочу напругу; наявність додаткового вузла (зарядного кола), який забезпечує попередній заряд комутуючого конденсатора; високий рівень комутаційних перенапруг через розсіювання енергії, накопиченої в індуктивності мережі та у комутуючому конденсаторі при відключенні граничних струмів; комутуючий конденсатор знаходиться під напругою мережі протягом всього часу включеного стану контактора; знижена надійність роботи через граничні режими роботи компонентів електронної схеми контактора, а також через наявність достатньо складної схеми керування. Найбільш близьким за технічною сутністю до запропонованого є вибраний як прототип гібридний двополюсний контактор постійного струму, який містить у кожному полюсі по одному головному контакту, які відрегульовані з можливістю розмикання другого головного контакту пізніше розмикання першого, реле струму, увімкнене послідовно з першим головним контактом, повністю керований напівпровідниковий ключ, наприклад, двоопераційний тиристор або IGBT-транзистор, увімкнений паралельно реле струму і першому головному контакту, при цьому його вхідне коло через замикаючий контакт реле струму, діод та резистор підімкнене паралельно першому головному контакту, конденсатор та обмежувач напруги, що увімкнені паралельно вхідному колу повністю керованого ключа, пристрій примусової комутації, який складається з комутуючого тиристора, комутуючого конденсатора та обмежуючого резистора, елемент затримки часу, який складається з резистора та конденсатора і увімкнений паралельно комутуючому конденсатору, обмежувач перенапруг, який підімкнутий між вхідним зажимом першого полюса та вихідним зажимом другого полюса контактора, оптронний тиристор, вихідне коло якого увімкнуто між вихідними зажимами контактора, а вхідне - послідовно з комутуючим тиристором, та пороговий елемент і транзисторний ключ [2]. У цьому контакторі завдяки використанню повністю керованого напівпровідникового ключа виключені наведені вище недоліки, які притаманні відомому гібридному контактору [1]. Однак надійність його роботи суттєво знижена через те, що під час включеного стану контактора комутуючий конденсатор та схема управління перебуває під впливом достатньо високої напруги мережі, та крім цього робота вузла примусової комутації залежить від коливань напруги мережі. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення гібридного двополюсного контак 63999 4 тора постійного струму, в якому введення нових конструктивних елементів та зв'язків дозволило б забезпечити бездугову комутацію кола як при включенні апарата, так і при його вимиканні та застосування контактора в реверсивних схемах вмикання, забезпечити відсутність зони можливої комутації з дугою, забезпечити низькі габарити, масу та вартість контактора, підвищити надійність його роботи за рахунок того, що елементи схеми керування перебуватимуть під напругою тільки у моменти комутації навантаження, тобто короткочасно. Поставлена задача обумовлена тим, що відомий гібридний двополюсний контактор постійного струму, який містить основний тиристор, підімкнений паралельно одному з головних контактів, блок ємнісної примусової комутації основного тиристора і блок, що керує тиристорами, через використання неполярного конденсатора як комутуючого конденсатора має знижену надійність роботи всього пристрою в цілому через граничні режими роботи компонентів електронної схеми керування, а також через залежність її роботи від коливань напруги мережі. Поставлена задача вирішується тим, що у гібридний двополюсний контактор постійного струму, який містить у кожному полюсі по одному головному контакту, які відрегульовані з можливістю розмикання другого головного контакту пізніше розмикання першого, реле струму, увімкнене послідовно з першим головним контактом, повністю керований напівпровідниковий ключ, наприклад, двоопераційний тиристор або IGBT-транзистор, увімкнений паралельно реле струму і першому головному контакту, при цьому його вхідне коло через замикаючий контакт реле струму, діод та резистор підімкнене паралельно першому головному контакту, конденсатор та обмежувач напруги, що увімкнені паралельно вхідному колу повністю керованого ключа, пристрій примусової комутації, який складається з комутуючого тиристора, комутуючого конденсатора та обмежуючого резистора, елемент затримки часу, який складається з резистора та конденсатора і увімкнений паралельно комутуючому конденсатору, обмежувач перенапруг, який підімкнутий між вхідним зажимом першого полюса та вихідним зажимом другого полюса контактора, оптронний тиристор, вихідне коло якого увімкнуто між вихідними зажимами контактора, а вхідне - послідовно з комутуючим тиристором, та пороговий елемент, згідно з корисною моделлю в нього додатково введений трансформатор струму, що має дві первинні обмотки (як правило шини струмопроводу) та одну вторинну обмотку, при цьому перша первинна обмотка увімкнена послідовно з першим головним контактом, а друга послідовно з повністю керованим напівпровідниковим ключем та зустрічно з першою, спільні точки цих обмоток підключені до вихідного зажиму першого полюса контактора, вторинна ж обмотка цього трансформатору через випрямляючий діод підключена до комутуючого конденсатору, при цьому вивід конденсатора, до якого безпосередньо підімкнений вивід вторинної обмотки увімкнуто між повністю керованим напівпровідниковим ключем та 5 другою первинною обмоткою, а вивід конденсатора, до якого підімкнений випрямляючий діод, через комутуючий тиристор, вхідне коло оптронного тиристора та обмежуючий резистор увімкнуто до входу повністю керованого напівпровідникового ключа, а конденсатор елемента затримки часу через пороговий елемент підключений до входу комутуючого тиристора. Пропонований контактор відрізняється від прототипу тим, що в нього додатково введений малогабаритний трансформатор струму, що має дві первинні обмотки, перша з яких увімкнена послідовно з першим головним контактом, а друга послідовно з повністю керованим напівпровідниковим ключем та зустрічно з першою, та одну вторинну обмотку, яка через випрямляючий діод підключена до комутуючого конденсатору, що дозволило спростити схему керування, виключив з неї транзисторний ключ та один контакт, що розмикається, реле струму, а також забезпечило економічний режим роботи елементів електронної схеми, тому що вони перебуватимуть під навантаженням тільки в момент розмикання контактором кола, тобто короткочасно. Сутність корисної моделі полягає в тому, що введення трансформатора струму дозволило здійснити короткочасний заряд комутуючого конденсатору від струму, що перетікає в коло повністю керованого напівпровідникового ключа, виключив при цьому малонадійний вузол його заряду від напруги мережі, а також забезпечило при цьому надійний економічний режим роботи елементів електронної схеми та її спрощення, тобто вирішується поставлене завдання. Гібридний двополюсний контактор постійного струму, виконаний з використанням IGBTтранзистора, показаний на Фіг.1, а з використанням двоопераційного тиристора - на Фіг.2. Гібридний двополюсний контактор постійного струму містить у кожному полюсі по одному головному контакту 1 і 2, причому розхил цих контактів відрегульовані таким чином, що другий головний контакт 2 розмикається пізніше розмикання першого (час затримки складає 7-9 мс), реле струму 3, що увімкнене послідовно з першим головним контактом 1, повністю керований напівпровідниковий ключ 4, наприклад, IGBT-транзистор (Фіг.1) або двоопераційний тиристор (Фіг.2), увімкнутий паралельно реле струму 3 і першому головному контакту 1, при цьому його вхідне коло через замикаючий контакт 5 реле струму 3, діод 6 та резистор 7 підімкнуто паралельно першому головному контакту 1, конденсатор 8 та обмежувач напруги 9, що увімкнені паралельно вхідному колу повністю керованого ключа 4, пристрій примусової комутації, який складається з комутуючого тиристора 10, комутуючого конденсатора 11 та обмежуючого резистора 12, елемент затримки часу, який складається з резистора 13 та конденсатора 14, оптронний тиристор 15, вихідне коло якого увімкнуто між вихідними зажимами контактора, а вхідне послідовно з комутуючим, тиристором 10, обмежувач перенапруг 16, який підімкнутий між вхідним зажимом першого і вихідним зажимом другого полюса контактора та пороговий елемент 17, у кон 63999 6 тактор додатково введений трансформатор струму, що має дві первинні обмотки 18 і 19 (як правило шини струмопровіду) та одну вторинну обмотку 20, при цьому перша первинна обмотка 18 увімкнена послідовно з першим головним контактом 1, а друга 19 - послідовно з повністю керованим напівпровідниковим ключем 4 та зустрічно з першою, спільні точки цих обмоток підключені до вихідного зажиму першого полюса контактора 1, вторинна же обмотка 20 цього трансформатору через випрямляючий діод 21 підключена до комутуючого конденсатору 11, при цьому вивід конденсатора, до якого безпосередньо підімкнений вивід вторинної обмотки 20 увімкнуто між повністю керованим напівпровідниковим ключем 4 та другою первинною обмоткою 19, а вивід конденсатора, до якого підімкнений випрямляючий діод 21, через комутуючий тиристор 10, вхідне коло оптронного тиристора 15 та обмежуючий резистор 12 увімкнуто до входу повністю керованого напівпровідникового ключа 4, а конденсатор 14 елемента затримки часу через пороговий елемент 17 підключений до входу комутуючого тиристора 10. На Фіг.1 і Фіг.2 елементи контактора 1-4, 18, 19 утворюють його головне коло, елементи 5-9 - коло керування включенням повністю керованим напівпровідниковим ключем 4, а елементи 10-15, 20, 21 - коло керування вимиканням повністю керованого напівпровідникового ключа 4. Як контакти 5 реле струму 3 використано магнітокеровані герметичні контакти (геркони). У вимкненому стані апарата головні контакти 1 і 2 розімкнені й всі його елементи знеструмлені. При включенні апарата при замиканні головних контактів 1 і 2 та протіканні струму у головному колі (колі, що містить головні контакти 1 і 2) реле струму 3 спрацьовує і його контакт 5 замикається, а магнітопровід трансформатору струму під впливом струму навантаження, що протікає по первинній обмотці 18, перемагнічується у бік від'ємної індукції до насиченого стану. У цьому стані, коли головний контакт 1 замкнений, повністю керований напівпровідниковий ключ 4 знеструмлений, оскільки значення падіння напруги на замкнених головних контактах 1 у всьому діапазоні робочих струмів контактора не перевищує 0,5 В, тобто керуючий сигнал на включення повністю керованого напівпровідникового ключа 4 відсутній. При вимиканні апарата при розмиканні головного контакту 1 на ньому виникає коротка дуга, внаслідок чого відбувається різке зростання падіння напруги на ньому, під дією якої через резистор 7 і діод 6 відбувається включення повністю керованого напівпровідникового ключа 4, внаслідок чого він переходить у повністю включений стан. Струм з кола головного контакту 1, реле струму 3 та обмотки 18 переходить у коло повністю керованого напівпровідникового ключа 4. При повному перетіканні струму з кола головного контакту 1 реле струму 3 вимикається, його контакт 5 розмикається і коло керування повністю керованим ключем 4 знеструмлюється. При цьому магнітопровід трансформатора струму під впливом струму, що протікає по другій первинній обмотці 19, починає перемагнічуватися в протилежному напрямку, 7 а на вторинній обмотці цього трансформатора наводиться ЕРС, полярність якої є такою, що відпирає випрямляючий діод 21, і комутуючий конденсатор 11 починає заряджатися. Параметри трансформатора струму вибираються таким чином, щоб при найбільшому струмі, який відключається, комутуючий конденсатор 11 за час переходу трансформатора струму у насичений стан встигав зарядитися до напруги, що є достатньою для забезпечення надійного запирання ключа 4. При цьому слід відзначити, що величина напруги, до якої зарядиться комутуючий конденсатор 11, буде знижуватися при зменшенні величини струму, що відключається, приблизно пропорційно кореневі квадратному від цього струму, що в свою чергу підвищує надійність роботи контактора. Максимальне пряме падіння напруги на відкритому повністю керованому напівпровідниковому ключі 4 не більше 1,5-3,5 В, що є недостатнім для виникнення дуги на головному контакті 1. Слід зазначити, що в момент переходу струму з кола головних контактів через наявність індуктивності у контурі комутації (головні контакти разом з повністю керованим напівпровідниковим ключем) виникає коротка дуга, однак цей процес через мале значення вказаної індуктивності триває кілька десятків мікросекунд і тому не завдає суттєвого впливу на комутаційну зносостійкість головних контактів. При горінні короткої дуги на головному контакті 1 контакт 5 реле струму 3 залишається замкненим і розмикається тільки після повного перетікання комутованого струму з головного кола у шунтуюче коло (коло повністю керованого напівпровідникового ключа 4). Тривалість протікання струму навантаження через повністю керований напівпровідниковий ключ 4 забезпечується елементом затримки часу і становить близько 3 мс, що цілком достатньо для розмикання головного контакту 1 на відстань, що є безпечною для електричного пробою контактного проміжку. Головний контакт 2 при цьому ще залишається замкненим. Для підтримання у відкритому стані IGBTтранзистора (Фіг.1) на цей час застосовується додатково введений конденсатор 8, увімкнений паралельно вхідному колу повністю керованого напівпровідникового ключа 4. Напруги, до якої заряджений цей конденсатор у проміжок часу, коли на головному контакті 1 існує коротка дуга, достатньо для підтримання повністю керованого напівпровідникового ключа 4 у ввімкненому стані протягом вищезазначених 3 мс. Діод 6 не дозволяє розрядитися конденсатору 8 через резистор 7 і відкриває повністю керований напівпровідниковий ключ 4 у цей проміжок часу. Без цього конденсатора IGBT-транзистор працював би в активному режимі і на ньому виділялась би значна потужність. На відміну від IGBT-транзистора двоопераційний тиристор, що застосовано як повністю керований напівпровідниковий ключ 4 (Фіг.2), після отримання керуючого сигналу на ввімкнення автоматично залишається у повністю відкритому стані. Повне вимикання комутованого кола відбувається після повного перетікання струму з головного кола у шунтуюче і розмикання головного контак 63999 8 ту 1 на відстань, безпечну для електричного пробою контактного проміжку, після чого повністю керований напівпровідниковий ключ 4 розмикається. Оскільки головний контакт 2 відрегульовані таким чином, що його розмикання відбудеться через 7-9 мс пізніше розмикання головного контакту 1, він розмикається без дуги. Після розмикання головного контакту 2 буде забезпечено гальванічну розв'язку мережі та навантаження, а контактор буде повністю знеструмлений. Час перетікання струму з кола головного контакту 1 в шунтуюче коло, як вже зазначалося, становить близько 3 мс. Така часова затримка на вимикання забезпечується елементом затримки часу, що містить конденсатор 14 і резистор 13. Після повного перетікання струму реле струму 3 вимикається і його контакт 5 розмикається, при цьому конденсатор 14 починає заряджатися від напруги на комутуючому конденсаторі 11 через резистор 13 елемента затримки часу. Як тільки конденсатор 14 зарядиться до напруги, що перевищує напругу пробою порогового елемента 17, комутуючий тиристор 10 відкривається. Комутуючий конденсатор 11 через відкритий комутуючий тиристор 10 відмикається у протилежному напрямку (запираючому) для повністю керованого напівпровідникового ключа 4, який внаслідок цього вимикається, і струм у колі навантаження переривається. Обмежувач перенапруг 16 забезпечує допустимий рівень напруги на вході повністю керованого напівпровідникового ключа 4. Для схеми, що зображена на Фіг.2, запираю1 чий струм повинен складати не менше - /5 від комутованого струму у головному колі. Таке достатньо велике значення струму забезпечується малою величиною опору обмежуючого резистора 12. Для схеми на Фіг.1 такий великий струм для вимикання IGBT-транзистора не потрібен, для цього на ньому треба підтримувати запираючу напругу близько 15 В, що забезпечується в схемі наявністю конденсатора 8 та обмежувача напруги 9. Для виключення впливу індуктивності навантаження на контактор у схемах застосований оптронний тиристор 15, який шунтує коло навантаження при вимиканні повністю керованого напівпровідникового ключа 4. Застосування оптронного тиристора замість діода, що шунтує навантаження, дозволяє застосовувати пропонований контактор у реверсивних схемах вмикання. Для зниження впливу енергії, що накопичена в індуктивності мережі при перериванні струму навантаження і запобігання виникнення перенапруг на контакторі, у схему введений обмежувач перенапруг 16, який теж спрацьовує при вимиканні повністю керованого напівпровідникового ключа 4. При вібраціях головного контакту 1 повністю керований напівпровідниковий ключ 4 вмикається аналогічно тому, як це описано для випадку відключення контактора. Однак, конденсатор 14 елемента затримки часу за час відскоку головного контакту не встигає зарядитися до напруги, яка є необхідною для пробою порогового елемента 17, що керує подачею запираючого сигналу на повністю керований напівпровідниковий ключ 4. Таким 9 чином, пристрій примусової комутації при вібраціях головних контактів не працює. Слід зазначити, що схему на Фіг.1 з використанням IGВТ-транзистора як повністю керованого напівпровідникового ключа доцільно застосовувати при комутації струмів до 500-600 А, тобто для контакторів на номінальні струми (Іном) до 160 А, через те, що ці прилади, розраховані на більші струми ще не випускаються масово, але якщо випускаються, то мають велику вартість. На відміну від цих приладів двоопераційні тиристори випускаються переважно для роботи у колах з великими струмами (Іном>160 А), що й визначає область використання схеми на Фіг.2. Також, виходячи з того, що у схемі на Фіг.1 доцільним є використання електролітичного комутуючого конденсатора з ємністю 1-2 мкФ, а в схемі на Фіг.2 значно більшої ємності (до 50 мкФ), контактор на Фіг.1 слід застосовувати у випадках, коли вирішальну роль відіграють масогабаритні показники контактора. Пропонований гібридний двополюсний контактор постійного струму має підвищений термін служби та підвищену надійність роботи за рахунок додаткового введення трансформатору струму, який забезпечує заряд комутуючого конденсатору тільки у момент відключення контактору, при цьому напруга, до якої заряджається вказаний конденсатор, знижується зі зменшенням величини струму, що відключається, що забезпечує еконо 63999 10 мічний режим роботи комплектуючих елементів схеми (вони знаходяться під напругою тільки у момент вимикання контактору), а також її спрощення. Пропонований гібридний двополюсний контактор постійного струму забезпечує відсутність зони комутації з дугою як при включенні, так і при вимиканні апарата, його робота не залежить від типу приводу, який забезпечує комутацію контактної системи апарата, тому він може застосовуватися як апарат керування, так і захисту. У порівнянні з існуючими апаратами цього типу за рахунок запропонованих схемних рішень та економного режиму роботи комплектуючих у нього зменшені габарити і вартість 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, наприклад в електричному транспорті, є можливість застосовувати цей контактор у реверсивних схемах вмикання. Джерела інформації: 1. Авторское свидетельство СССР №526029, кл. Н01Н 9/30, Н03К 17/56, Н01Н 33/59, Б.И. №31, 1976 2. Гібридний двополюсний контактор постійного струму. Патент України на корисну модель №33171, Н01Н 9/30, Н01Н 9/54, Бюл. №11, 2008. 11 Комп’ютерна верстка А. Рябко 63999 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601