Гібридний комутаційний апарат змінного струму підвищеної надійності

Реферат: Гібридний комутаційний апарат змінного струму підвищеної надійності 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 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, стабілітрон, також він містить у кожному полюсі магніторезистивний датчик струму, підковоподібний магнітопровід якого охоплює струмопровід головного кола апарата на відрізку, розташованому між головними контактами і точкою під'єднання силового безконтактного ключа, а в повітряний зазор магнітопроводу введений магніторезистор, вихідні же клеми апарата через обмежуючі конденсатори підімкнені до входу мостового випрямляча, а паралельно його виходу 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 або керуючі котушки магнітокерованих контактів (герконів) у кількості, що дорівнює числу полюсів апарата, а вихідні кола оптронних симісторів або безпосередньо контакти герконів підімкнені через резистор між керованими електродами кожного з силових безконтактних ключів, вхід же малопотужного безконтактного ключа підімкнений через додатковий стабілітрон до спільної точки з’єднання розділяючих діодів. В нього додатково введені нормально замкнений контакт контактора, резистор і реле, котушка якого зашунтована конденсатором, при цьому зазначена котушка через зазначений допоміжний контакт і резистор підімкнена до виходу мостового випрямляча, а нормально розімкнені контакти реле підключені до кола дистанційного вимикання вище встановленого автоматичного вимикача. UA 120658 U (12) UA 120658 U UA 120658 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки, зокрема до низьковольтних електричних апаратів. Гібридні комутаційні апарати поєднують позитивні якості як контактних апаратів (малі втрати потужності у ввімкненому стані), так і безконтактних (бездугова комутація кола). В цих апаратах паралельно головним контактам підімкнено силовий безконтактний ключ, який забезпечує бездугову комутацію контактів, що розмикаються. У включеному стані апарата безконтактний керований ключ зашунтований головними контактами. Відомий 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 [1]. Цей контактор забезпечує бездугову комутацію кола як при вмиканні, так і при вимиканні кола, однак велика кількість витків вторинної обмотки трансформатора струму, яка при великих номінальних струмах апарата (більше 160 А) становить десятки тисяч, що обмежує зверху зону номінальних струмів, при яких є доцільним використання даного апарата, додатково підвищує трудомісткість виготовлення та знижує надійність апарата, він також має зону існування дугового розряду при комутації. Найбільш близьким за технічною суттю до запропонованого є вибраний як найближчий аналог гібридний комутаційний апарат змінного струму, який 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 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, стабілітрон, він містить у кожному полюсі магніторезистивний датчик струму, підковоподібний магнітопровід якого охоплює струмопровід головного кола апарата на відрізку, розташованому між головними контактами і точкою під'єднання силового безконтактного ключа, а в повітряний зазор магнітопроводу введений магніторезистор, вихідні же клеми апарата через обмежуючі конденсатори підімкнені до входу мостового випрямляча, а паралельно його виходу підімкнений зазначений вище 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 або керуючі котушки додатково введених магнітокерованих контактів (герконів) у кількості, що дорівнює числу полюсів апарата, а вихідні кола оптронних симісторів або безпосередньо контакти герконів підімкнені через резистор між керованими електродами кожного з силових безконтактних ключів, вхід же малопотужного безконтактного ключа підімкнений через додатковий стабілітрон до спільної точки з’єднання розділяючих діодів [2]. У контакторі, вибраному як найближчий аналог, виключено наведені вище недоліки попереднього варіанта, однак у них обох відсутній захист від аварійного пробою силового безконтактного ключа або його помилкового спрацьовування при вимкненому контакторі, що може призвести до серйозних наслідків, у тому числі й до пожежі. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення гібридного комутаційного апарата змінного 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, забезпечити відсутність зони можливої комутації з дугою, подачу живлення на схему керування тільки при протіканні струму через головні контакти, а також виключити ймовірність протікання струмів по керованим безконтактним елементам силового безконтактного ключа у вимкненому стані контактора, таким чином виключити аварійний режим роботи, а отже підвищити надійність апарату. 1 UA 120658 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Поставлена задача обумовлена тим, що у відомих гібридних комутаційних апаратах змінного струму, які містять силовий безконтактний ключ, підключений паралельно головним контактам при можливому пробої цього ключа (або при його хибному спрацьовуванні) при вимкненому контакторі навантаження опиняється під напругою, що може призвести до серйозних аварій, у тому числі до ймовірного виникнення пожежі. Поставлена задача 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 у 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, стабілітрон, також він містить у кожному полюсі магніторезистивний датчик струму, підковоподібний магнітопровід якого охоплює струмопровід головного кола апарата на відрізку, розташованому між головними контактами і точкою під’єднання силового безконтактного ключа, а в повітряний зазор магнітопроводу введений магніторезистор, вихідні же клеми апарата через обмежуючі конденсатори підімкнені до входу мостового випрямляча, а паралельно його виходу 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 або керуючі котушки магнітокерованих контактів (герконів) у кількості, що дорівнює числу полюсів апарату, а вихідні кола оптронних симісторів або безпосередньо контакти герконів підімкнені через резистор між керованими електродами кожного з силових безконтактних ключів, вхід же малопотужного безконтактного ключа підімкнений через додатковий стабілітрон до спільної точки з'єднання розділяючих діодів, згідно з корисною моделлю, до його складу додатково введені нормально замкнений контакт контактора, резистор і реле, котушка якого зашунтована конденсатором, при цьому зазначена котушка через зазначений допоміжний контакт і резистор підімкнена до виходу мостового випрямляча, а нормально розімкнені контакти реле підключені до кола дистанційного вимикання вище встановленого автоматичного вимикача. В результаті виключається аварійне протікання струму по навантаженню у випадку пробою силового безконтактного ключа при вимиканні апарата, тобто вирішується поставлена задача. Гібридний комутаційний апарат змінного струму, виконаний з використанням оптронних симісторів, показаний на Фіг. 1, або з використанням магнітокерованих контактів (герконів) - на Фіг. 2, на Фіг. 3 показані осцилограми напруг на виході датчиків струму. Гібридний комутаційний апарат змінного струму 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 апарата 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 апарата через обмежуючі конденсатори 8 підімкнені до входу випрямляча 3, а паралельно виходу випрямляча 3 підімкнений стабілітрон 9, також паралельно виходу цього 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 або керуючі котушки додатково введених магнітокерованих контактів (герконів) у кількості, що дорівнює числу полюсів апарата, а вихідні кола оптронних симісторів або безпосередньо контакти герконів 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. Додатково введені нормально замкнений контакт 16 контактора, резистор 17, реле 18, котушка якого зашунтована конденсатором 19, при цьому зазначена котушка через зазначений допоміжний контакт і резистор підімкнена до виходу мостового випрямляча, а нормально розімкнені контакти 20 реле підключені до кола дистанційного вимикання вище встановленого автоматичного вимикача складають коло запобігання протіканню струмів по керованим елементам силового 2 UA 120658 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 безконтактного ключа 2 у вимкненому стані контактора при хибному спрацьовуванні цього ключа 2. На Фіг. 1 і Фіг. 2 як безконтактні керовані елементи застосовуються тиристори, а як малопотужний безконтактний ключ - малопотужний транзистор. При цьому елементи апарату 1 та 2 утворюють головне силове коло апарату, елементи 3-15 - схему керування силовим безконтактним ключем, а елементи 16-20 - схему захисту від пробою силового безконтактного ключа при вимкненому контакторі. У відключеному стані апарата головні контакти 1 розімкнені, на схему керування силовим безконтактним ключем та на схему захисту цього ключа від пробою живлення не подається. Силовий безконтактний ключ у цей час знаходиться під впливом фазної напруги мережі. При вмиканні апарата 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 магнітопроводу виникає магнітний потік, що призводить до зростання опору магніторезистора 7. Напруги на кожному з магніторезисторів у найбільш розповсюдженому (триполюсному) виконанні апарата будуть зсунуті на кут 2/3 за фазою, тому форма напруги між точками а і д (Uад) буде мати вигляд, як показано на Фіг. 3. 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 напруги Uад (осцилограма 1 на Фіг. 3) 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. 3) завжди достатньо для включення малопотужного транзисторного ключа 4, причому струм у його колі є достатнім для створення необхідного струму керування оптронними симісторами 13 або магнітокерованими контактами. Оскільки падіння напруги на замкнених головних контактах у режимі робочих струмів не перевищує 0,5 В, то його буде недостатньо для включення силового безконтактного ключа 2 навіть при наявності достатнього за величиною струму у вхідному колі оптрон них симісторів 13 або у колі керуючих котушок магнітокерованих контактів (герконів). При відключенні апарата 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. 3) і схема керування силовим безконтактним ключем знеструмлюється. Максимальне пряме падіння напруги на відкритому силовому безконтактному ключі 2 не більше 1,5-2,0 В, 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 комутованого 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 апарата. При протіканні наскрізних струмів короткого замикання, коли є можливим електродинамічне відкидання контактів, величина напруги Uад 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. 3 UA 120658 U 5 10 15 20 25 30 Слід зазначити, що магнітокеровані контакти (геркони) 13 в наведеному на Фіг. 2 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 1,5-2,0 В. 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, вартість його нижче. У вимкненому стані контактора при аварійному пробої силового безконтактного ключа 2 на вихідних затискачах контактора виникає напруга, яка через мостовий випрямляч 3, нормально замкнені контакти 16 контактора і резистор 17 надходить на котушку реле 18. При його спрацьовуванні контакти 20 замикаються, що призводить до дистанційного вимикання вище встановленого автоматичного вимикача. В результаті силове коло контактора вимикається і можливий аварійний режим виключається. Наявність у даній схемі затримки на вмикання реле 18, що обумовлена наявністю шунтуючого конденсатора 19, виключає хибне вимикання вище встановленого вимикача в процесі оперативного вимикання контактора, коли вже при замкнених допоміжних контактах 16 на виході контактора деякий час матиме місце напруга, обумовлена природною технологічною затримкою на вимикання силових ключів контактора в процесі його вимикання. 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 апарата схема керування знеструмлена, зменшення кількості конструктивних вузлів, спрощення схеми керування безконтактними елементами силового безконтактного ключа 2, крім цього, на відміну від існуючих апаратів такого типу він забезпечує захист від аварійного пробою силового безконтактного ключа у вимкненому стані контактора. Пропонований гібридний комутаційний апарат 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. 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 тощо. 35 40 Джерела інформації: 1. Пат. 22023 Україна, Н01Н 9/30, Н01Н 9/54. Гібридний контактор змінного струму / А.Г. Сосков, И.О. Рак, И.А. Соскова; заявник та патентовласник Харківська національна академія міського господарства. - Бюл. № 4, 2007. 2. Пат. 30660 Україна, Н01Н 9/30, Н01Н 9/54. Гібридний комутаційний апарат змінного струму/А.Г. Сосков, Н.О. Рак, О.Ю. Поліщук; заявник та патентовласник Харківська національна академія міського господарства. - Бюл. № 5, 2008. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 55 60 Гібридний комутаційний апарат змінного струму підвищеної надійності, який містить у кожному полюсі головні контакти, паралельно яким підімкнений силовий безконтактний ключ, що складається з двох керованих безконтактних елементів, підімкнених у прямому та зворотньому 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, стабілітрон, також він містить у кожному полюсі магніторезистивний датчик струму, підковоподібний магнітопровід якого охоплює струмопровід головного кола апарата на відрізку, розташованому між головними контактами і точкою під'єднання силового безконтактного ключа, а в повітряний зазор магнітопроводу введений магніторезистор, вихідні же клеми апарата через обмежуючі конденсатори підімкнені до входу мостового випрямляча, а паралельно його виходу 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 4 UA 120658 U 5 10 додатково введених оптронних симісторів або керуючі котушки магнітокерованих контактів (герконів) у кількості, що дорівнює числу полюсів апарата, а вихідні кола оптронних симісторів або безпосередньо контакти герконів підімкнені через резистор між керованими електродами кожного з силових безконтактних ключів, вхід же малопотужного безконтактного ключа підімкнений через додатковий стабілітрон до спільної точки з’єднання розділяючих діодів, який відрізняється тим, що в нього додатково введені нормально замкнений контакт контактора, резистор і реле, котушка якого зашунтована конденсатором, при цьому зазначена котушка через зазначений допоміжний контакт і резистор підімкнена до виходу мостового випрямляча, а нормально розімкнені контакти реле підключені до кола дистанційного вимикання вище встановленого автоматичного вимикача. 5 UA 120658 U 6 UA 120658 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7