RU2069406C1

RU2069406C1 - Arcless-switching dc contactor

Info

Publication number: RU2069406C1
Application number: RU94029719A
Authority: RU
Inventors: Владимир Леонтьевич Лотоцкий; Сергей Владимирович Лотоцкий
Original assignee: Владимир Леонтьевич Лотоцкий; Сергей Владимирович Лотоцкий
Priority date: 1994-08-08
Filing date: 1994-08-08
Publication date: 1996-11-20
Also published as: RU94029719A

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: contactor has main contact 3 shorted out by main thyristor 1 and backward diode 2. Forced switching unit affording turn-off of thyristor 1 upon opening of main contact 3 has switching thyristor 5, capacitor 6, and choke 7. Capacitor 6 is charged by means of charging circuit that has choke 8 and thyristor 9. Charging circuit is connected through contacts 18 mechanically coupled with contacts 19 that function to connect coil 20 of electromagnet to power supply 4. Charging process and associated turn-on of main thyristor 1 are completed before main contact 3 starts opening. Upon completion of arcless opening of main contact 3, contacts 15 of limit switch close with the result that thyristor 5 is turned on and forced switching unit 5 is energized; then thyristor 1 stops passing current and load 21 is disconnected from power supply 4. EFFECT: improved design. 1 dwg

Description

Изобретение относится к низковольтным электрическим аппаратам, в частности к контакторам постоянного тока с бездуговой коммутацией. The invention relates to low-voltage electric devices, in particular to direct current contactors with arcless switching.

Известен контактор постоянного тока [1] содержащий цепь, состоящую из основного тиристора и диода, подключенную параллельно главному контакту, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора и конденсатора, зарядное устройство, блок управления, резистор и шунтирующий нагрузку обратный диод. Данное устройство характеризуется недостаточной надежностью вследствие сложности схемы и принципов ее управления. Known DC contactor [1] containing a circuit consisting of a main thyristor and a diode connected in parallel with the main contact, a forced switching unit of the main thyristor, consisting of a switching thyristor and a capacitor, a charger, a control unit, a resistor and a load diode shunt. This device is characterized by insufficient reliability due to the complexity of the circuit and the principles of its management.

Прототипом данного технического решения является контактор постоянного тока [2] содержащий основной тиристор, зашунтированный обратным диодом и подключенный параллельно главному контакту, соединяющему цепи источника питания и нагрузки, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора, конденсатора и первого дросселя, цепи заряда коммутирующего конденсатора, включающей зарядный тиристор и второй дроссель, блок управления тиристорами. The prototype of this technical solution is a DC contactor [2] containing the main thyristor, shunted by a reverse diode and connected in parallel with the main contact connecting the power supply and load circuits, the forced switching unit of the main thyristor, consisting of switching thyristor, capacitor and first choke, switching charge circuit a capacitor including a charging thyristor and a second inductor, a thyristor control unit.

Недостатками этого устройства являются большие габариты и сложность блока управления тиристорами, низкая надежность при отключении главного контакта, так как используемые в устройстве герконы могут повторно включить основной тиристор при воздействии внешнего магнитного поля или не выдержать коммутационных перенапряжений. The disadvantages of this device are the large size and complexity of the thyristor control unit, low reliability when disconnecting the main contact, since the reed switches used in the device can re-enable the main thyristor when exposed to an external magnetic field or not withstand switching overvoltages.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей контактора. The aim of the present invention is to increase reliability and improve the overall dimensions of the contactor.

В контакторе, содержащем общие с прототипом [2] источник питания, главный контакт, основной тиристор, обратный диод, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора, конденсатора и первого дросселя, соединенных между собой последовательно, цепь заряда коммутирующего конденсатора, содержащую второй дроссель и зарядный тиристор, соединенные между собой последовательно, цепь нагрузки и блок управления тиристорами, при этом основной тиристор, зашунтированный обратным диодом, подключен параллельно главному контакту, первый вывод главного контакта соединен с положительным выводом источника питания, а второй вывод главного контакта с положительным выводом цепи нагрузки, отрицательный вывод цепи нагрузки соединен с отрицательным выводом источника питания, указанная выше цель по совершенствованию контактора достигается тем, что он снабжен дополнительным обратным диодом, цепь заряда коммутирующего конденсатора подключена одним выводом к положительному выводу источника питания, а другим выводом к положительной обкладке коммутирующего конденсатора, отрицательная обкладка которого подключена к отрицательному выводу источника питания, общая точка соединения вывода цепи заряда и положительной обкладки коммутирующего конденсатора через коммутирующий тиристор и первый дроссель соединена с положительным выводом нагрузки и с катодом основного тиристора, общая точка соединения коммутирующего тиристора и первого дросселя подключена к катоду дополнительного обратного диода, анод которого подключен к отрицательному выводу цепи нагрузки и отрицательной обкладке коммутирующего конденсатора, блок управления тиристорами выполнен в виде автономных схем управления каждым тиристором, при этом автономная схема управления основным тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных диода, стабилитрона и резистора, один из выводов которой подключен к общей точке соединения положительной обкладки коммутирующего конденсатора, анода коммутирующего тиристора и катода зарядного тиристора, а другой вывод указанной цепочки к управляющему электроду основного тиристора, причем диод и стабилитрон соединены встречно, а диод и управляющий переход основного тиристора согласно, автономная схема управления коммутирующим тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных резистора, стабилитрона и контактов концевого выключателя, предназначенного для механической связи с подвижной частью контактора, причем один вывод указанной цепочки подключен к управляющему электроду коммутирующего тиристора, а другой к общей точке соединения положительной обкладки коммутирующего конденсатора и катода зарядного тиристора, автономная схема управления зарядным тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных диода, резистора и контактов, один из выводов которой подключен к управляющему электроду зарядного тиристора, а другой к положительному выводу цепи нагрузки, причем указанные контакты механически связаны с контактами элемента, включающего катушку электромагнита. In the contactor, containing a common source with the prototype [2], a power source, a main contact, a main thyristor, a reverse diode, a forced switching unit of the main thyristor, consisting of a switching thyristor, a capacitor and a first inductor connected in series, a charge circuit of a switching capacitor containing a second a choke and a charging thyristor connected in series, a load circuit and a thyristor control unit, while the main thyristor, shunted by a reverse diode, is connected in parallel main contact, the first output of the main contact is connected to the positive output of the power supply, and the second output of the main contact to the positive output of the load circuit, the negative output of the load circuit is connected to the negative output of the power supply, the above goal to improve the contactor is achieved by the fact that it is equipped with an additional reverse by a diode, the commutation capacitor charge circuit is connected by one output to the positive terminal of the power source, and by the other terminal to the positive terminal, I commute a common capacitor, the negative lining of which is connected to the negative terminal of the power supply, the common point of connection of the output of the charge circuit and the positive lining of the switching capacitor through the switching thyristor and the first inductor is connected to the positive output of the load and to the cathode of the main thyristor, the common connection point of the switching thyristor and the first inductor is connected to the cathode of an additional reverse diode, the anode of which is connected to the negative terminal of the load circuit and the negative lining of the com using a thyristor capacitor, the thyristor control unit is made in the form of stand-alone control circuits for each thyristor, while the stand-alone main thyristor control circuit is made in the form of a chain of diode, zener diode and resistor connected in series, one of the terminals of which is connected to the common connection point of the positive plate of the switching capacitor, the switching anode thyristor and cathode of the charging thyristor, and the other output of the specified chain to the control electrode of the main thyristor, and the diode and zener diode are connected in the opposite direction, and the diode and the control transition of the main thyristor according to the stand-alone switching thyristor control circuit is made in the form of a chain of series-connected resistor, zener diode and limit switch contacts designed for mechanical communication with the moving part of the contactor, and one terminal of this circuit is connected to the switching switching electrode thyristor, and the other to the common point of connection of the positive plate of the switching capacitor and the cathode of the charging thyristor, Naya charging thyristor control circuit is implemented as a chain of series connected diodes, resistors and contacts, wherein one of the terminals connected to the control electrode of the charging thyristor and the other to the positive terminal of the load circuit, wherein said contact element is mechanically connected with contacts comprising an electromagnet coil.

Представленная на чертеже схема контактора постоянного тока с бездуговой коммутацией содержит основной тиристор 1, зашунтированный обратным диодом 2 и подключенный параллельно главному контакту 3, включенному в цепь источника питания 4, блок принудительной коммутации основного тиристора, состоящий из коммутирующих тиристора 5, конденсатора 6 и первого дросселя 7, цепь заряда коммутирующего конденсатора, состоящую из второго дросселя 8 и зарядного тиристора 9. Схема управления основным тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных диода 10, стабилитрона 11 и резистора 12. Схема управления коммутирующим тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных резистора 13, стабилитрона 14 и контактов 15 концевого выключателя. Схема управления зарядным тиристором выполнена в виде цепочки последовательно соединенных диода 16, резистора 17 и контактов 18, механически связанных с контактами 19, включающими катушку электромагнита 20. Главный контакт 3 соединяет цепи источника питания 4 и нагрузки 21, которая шунтируется обратным диодом 22. The scheme of a direct current contactor with an arcless switching shown in the drawing contains a main thyristor 1, shunted by a reverse diode 2 and connected in parallel with the main contact 3 included in the power supply circuit 4, the main switching unit of the main thyristor, consisting of switching thyristor 5, capacitor 6 and the first inductor 7, the charge circuit of the switching capacitor, consisting of a second inductor 8 and a charging thyristor 9. The control circuit of the main thyristor is made in the form of a chain in series Connections diode 10, zener diode 11 and resistor 12. The switching control circuit thyristor is formed as a chain of series-connected resistor 13, zener diode 14 and the contact 15 of the limit switch. The control circuit of the charging thyristor is made in the form of a chain of series-connected diode 16, resistor 17 and contacts 18, mechanically connected to contacts 19, including the coil of electromagnet 20. The main contact 3 connects the circuit of the power source 4 and the load 21, which is shunted by the reverse diode 22.

Устройство, приведенное на фиг. 1, работает следующим образом. The device shown in FIG. 1, works as follows.

В исходном (включенном) состоянии главного контакта 3 контакты 18 и 19 разомкнуты, катушка 20 электромагнита обесточена и замкнутое состояние главного контакта 3 обеспечивает пружинный механизм. Конденсатор 6 разряжен практически до нулевого напряжения. Цепи управления тиристоров 1, 5, 9 обесточены, а сами тиристоры закрыты. Через тиристоры 5 и 9, находящиеся под полным напряжением источника питания, протекают ничтожно малой величины токи утечки, а основной тиристор 1 зашунтирован главным контактом 3, создающим ничтожно малое падение напряжения. Закрыт также обратный диод 22, так как напряжение нагрузки приложено к нему в обратном направлении. In the initial (on) state of the main contact 3, the contacts 18 and 19 are open, the electromagnet coil 20 is de-energized, and the closed state of the main contact 3 provides a spring mechanism. The capacitor 6 is discharged almost to zero voltage. The control circuits of thyristors 1, 5, 9 are de-energized, and the thyristors themselves are closed. An insignificantly small amount of leakage current flows through the thyristors 5 and 9, which are under the full voltage of the power source, and the main thyristor 1 is shunted by the main contact 3, which creates a negligible voltage drop. The reverse diode 22 is also closed, since the load voltage is applied to it in the opposite direction.

В процессе отключения контактора замыкаются контакты 18 и 19, что приводит к отпиранию зарядного тиристора 9 и включению катушки 20 электромагнита. После завершения зарядного процесса тиристор 9 закроется, так как ток в зарядной цепи упадет до нуля, а более высокое, чем питающее, напряжение на конденсаторе 6 будет приложено к тиристору 9 в обратном направлении. Для защиты управляющего перехода тиристора 9 служит диод 16. Переходный процесс возрастания тока в катушке электромагнита должен быть скорректирован по отношению к зарядному процессу конденсатора 6 соответствующим выбором параметров этих цепей. В этом случае зарядный процесс завершится раньше момента достижения током катушки значения тока срабатывания, когда якорь начинает перемещаться, а контакт детали главного контакта 3, раздвигаться. Однако до этого момента произойдет отпирание основного тиристора 1, как только конденсатор 6 зарядится до практически двойного напряжения по отношению к напряжению источника питания. Наличие напряжения на конденсаторе 6 более высокого, чем напряжение источника питания, позволяет разместить в цепи управляющего электрода тиристора 1 пороговый элемент в виде стабилитрона 11 с таким пороговым напряжением, чтобы его сумма с напряжением питания была немного ниже напряжения полностью заряженного конденсатора 6. Таким образом, тиристор 1 откроется только тогда, когда конденсатор 6 зарядится до практически максимально возможного напряжения и когда запасенная в нем энергия будет достаточной для осуществления процесса принудительной коммутации тиристора 1. Резистор 12 ограничивает ток управления тиристора 1 до необходимой величины, а диод 10 защищает управляющий переход тиристора 1 от пробоя, когда конденсатор 6 будет разряжен. Отпирание тиристора 1 произойдет практически мгновенно по сравнению с переходным процессом включения катушки 20 электромагнита и зарядным процессом конденсатора 6. In the process of disconnecting the contactor, contacts 18 and 19 are closed, which leads to the unlocking of the charging thyristor 9 and the inclusion of the coil 20 of the electromagnet. After the completion of the charging process, the thyristor 9 will close, since the current in the charging circuit will drop to zero, and a higher voltage than the supply voltage across the capacitor 6 will be applied to the thyristor 9 in the opposite direction. To protect the control transition of the thyristor 9, a diode 16 is used. The transient process of increasing the current in the coil of the electromagnet should be adjusted in relation to the charging process of the capacitor 6 by an appropriate choice of the parameters of these circuits. In this case, the charging process will end before the coil current reaches the operating current value, when the armature begins to move, and the contact of the main contact part 3, expand. However, until this moment, the main thyristor 1 will be unlocked as soon as the capacitor 6 is charged to almost double the voltage with respect to the voltage of the power source. The presence of a voltage on the capacitor 6 higher than the voltage of the power source allows you to place a threshold element in the form of a zener diode 11 in the thyristor 1 control circuit with such a threshold voltage that its sum with the supply voltage is slightly lower than the voltage of a fully charged capacitor 6. Thus, thyristor 1 will open only when the capacitor 6 is charged to the maximum possible voltage and when the energy stored in it is sufficient to carry out the process of forcing Yelnia commutation thyristor 1 Resistor 12 limits thyristor gate current to the desired value 1, and the diode 10 protects the gate junction breakdown of the thyristor 1, the capacitor 6 is discharged. The unlocking of the thyristor 1 will occur almost instantly in comparison with the transient process of turning on the magnet coil 20 and the charging process of the capacitor 6.

Таким образом, до начала размыкания главного контакта 3 тиристор 1 откроется и его открытое состояние будет поддерживаться током управляющего электрода. Далее главный контакт 3 разомкнется, и ток нагрузки перейдет в шунтирующую цепь с тиристором 1, создающим достаточно малое падение напряжения, не позволяющее развиться дуговому процессу в зазоре между контакт-деталями главного контакта 3. По мере раздвижения контакт-деталей электрическая прочность между ними будет увеличиваться и при максимальном зазоре во много раз превзойдет уровень питающего напряжения, что позволит отключить основной тиристор 1 без образования дуги на главном контакте. Thus, before the opening of the main contact 3, the thyristor 1 opens and its open state will be supported by the current of the control electrode. Next, the main contact 3 will open, and the load current will pass into the shunt circuit with the thyristor 1, creating a sufficiently small voltage drop that does not allow the arc process to develop in the gap between the contact parts of the main contact 3. As the contact parts expand, the electric strength between them will increase and with a maximum gap, it will many times exceed the supply voltage level, which will turn off the main thyristor 1 without arcing at the main contact.

При достижении контакт-деталями контакта 3 максимального зазора замыкаются контакты 15 концевого выключателя и подключают к конденсатору 6 цепочку управления коммутирующего тиристора 5, которая содержит пороговый элемент в виде стабилитрона 14 и ограничивающий резистор 13. Стабилитрон 14 имеет такое пороговое напряжение, которое в сумме с напряжением питания должно быть немного ниже напряжения полностью заряженного конденсатора 6. When the contact details of contact 3 reach the maximum gap, the contacts 15 of the limit switch are closed and the control circuit of the switching thyristor 5 is connected to the capacitor 6, which contains a threshold element in the form of a zener diode 14 and a limiting resistor 13. The zener diode 14 has such a threshold voltage that in total with the voltage power should be slightly lower than the voltage of a fully charged capacitor 6.

Срабатывание тиристора 5 определяется моментом замыкания контактов 15 концевого выключателя и одновременно произойдет снятие управляющего сигнала с тиристора 5, который своим открытым переходом зашунтирует цепочку управления. При отпирании тиристора 5 образуется разрядная цепь принудительной коммутации, состоящая из конденсатора 6, тиристора 5, дросселя 7, диода 2 и источника питания 4. Пока напряжение на конденсаторе 6 больше напряжения источника питания ток разряда, достигнув значения тока нагрузки, превзойдет его и его избыточная часть замкнется через диод 2 и источник питания 4, а к тиристору 1 будет приложено обратное напряжение, равное прямому падению напряжения на диоде 2, что обеспечит надежное запирание тиристора 1, с которого при определенном уровне разряда конденсатора 6 будет снят управляющий сигнал. Кроме того, надежное запирание тиристора 1 должно быть обеспечено необходимым соотношением индуктивности и емкости контура принудительной коммутации для создания колебательного разрядного процесса требуемой продолжительности. The operation of the thyristor 5 is determined by the moment of closing the contacts 15 of the limit switch and at the same time the control signal will be removed from the thyristor 5, which by its open transition shunts the control chain. When the thyristor 5 is unlocked, a forced switching discharge circuit is formed, consisting of a capacitor 6, a thyristor 5, an inductor 7, a diode 2, and a power source 4. As long as the voltage on the capacitor 6 is greater than the voltage of the power source, the discharge current, when it reaches the load current, will exceed it and its excess the part will be closed through the diode 2 and the power supply 4, and a reverse voltage equal to the direct voltage drop across the diode 2 will be applied to the thyristor 1, which will ensure reliable locking of the thyristor 1, from which at a certain level the discharge capacitor 6 is lifted control signal. In addition, reliable locking of the thyristor 1 must be provided with the necessary ratio of inductance and capacitance of the forced switching circuit to create an oscillatory discharge process of the required duration.

После запирания основного тиристора 1 и падения разрядного тока конденсатора 6 до значения тока нагрузки 21 источник питания 4 полностью отключается от нагрузки 21. В этот момент напряжение на конденсаторе 6 падает до величины, примерно равной напряжению источника питания, а остаточная энергия конденсатора составляет примерно 25% от максимально запасаемой к началу цикла принудительной коммутации. Остаточный разряд конденсатора 6 и гашение поля в дросселе 7 и индуктивности нагрузки 21 производится по контуру, состоящему из элементов 6-5-7-21. Как только напряжение на цепочке "конденсатор 6 открытый тиристор 5" сравняется с прямым падением напряжения на диоде 22, указанная цепочка обесточивается, а ток нагрузки переходит в диод 22. Применение диода 22 предотвращает продолжение колебательного перезаряда конденсатора 6 и изменение полярности напряжения на его обкладках. Предотвращение изменения полярности на конденсаторе 6 позволяет применить вместо бумажных или пленочных конденсаторов электролитические конденсаторы, имеющие существенно меньшие массу и габариты. After the main thyristor 1 is locked and the discharge current of the capacitor 6 drops to the value of the load current 21, the power supply 4 is completely disconnected from the load 21. At this moment, the voltage on the capacitor 6 drops to a value approximately equal to the voltage of the power source, and the residual energy of the capacitor is approximately 25% from the maximum to the beginning of the forced switching cycle. The residual discharge of the capacitor 6 and the damping of the field in the inductor 7 and the inductance of the load 21 is made along the circuit consisting of elements 6-5-7-21. As soon as the voltage across the circuit "capacitor 6 open thyristor 5" is equal to the direct voltage drop across the diode 22, this circuit is de-energized, and the load current passes to the diode 22. The use of the diode 22 prevents the oscillatory overcharging of the capacitor 6 and the polarity of the voltage across its plates. Prevention of polarity reversal on the capacitor 6 allows the use of electrolytic capacitors instead of paper or film capacitors having substantially lower mass and dimensions.

Остаточный процесс гашения тока нагрузки происходит по контуру, состоящему из элементов 7-21-22, и завершается выделением тепла в обратном диоде 22 и активной составляющей нагрузки 21. The residual process of damping the load current occurs along the circuit, consisting of elements 7-21-22, and ends with the release of heat in the return diode 22 and the active component of the load 21.

Схема контактора постоянного тока, обеспечивающая бездуговую коммутацию при размыкании главного контакта, достаточно проста, имеет минимальное количество элементов, не требует для питания отдельных ее цепей дополнительных источников энергии. Срабатывание основного тиристора, шунтирующего главный контакт, не происходит в момент его размыкания, сопровождающегося возникновением короткой дуги, что свойственно большинству гибридных контакторов. Отскок контактов при замыкании главного контакта не сопровождается ложным срабатыванием управляемых элементов (тиристоров) схемы, так как она работает на другом принципе. Все это обеспечивает высокую надежность схемы. The DC contactor circuit, which provides arc-free switching when the main contact opens, is quite simple, has a minimum number of elements, and does not require additional energy sources to power its individual circuits. The operation of the main thyristor, which shunts the main contact, does not occur at the moment of its opening, accompanied by the appearance of a short arc, which is typical of most hybrid contactors. The bounce of the contacts when the main contact is closed is not accompanied by a false response of the controlled elements (thyristors) of the circuit, since it works on a different principle. All this provides high reliability of the circuit.

Claims

An arcless DC contactor containing a power source, a main contact, a main thyristor, a reverse diode, a main thyristor forced switching unit consisting of a switching thyristor, a capacitor and a first inductor connected in series, a switching capacitor charge circuit containing a second inductor and a charging thyristor connected in series with each other, a load circuit and a thyristor control unit, while the main thyristor shunted by a reverse diode is connected connected parallel to the main contact, the first output of the main contact is connected to the positive terminal of the power source, and the second terminal of the main contact to the positive terminal of the load circuit, the negative terminal of the load circuit is connected to the negative terminal of the power source, characterized in that it is equipped with an additional reverse diode, charge circuit the switching capacitor is connected by one terminal to the positive terminal of the power source, and the other terminal to the positive side of the switching capacitor, negative the lining of which is connected to the negative terminal of the power supply, the common point of connection of the output of the charge circuit and the positive lining of the switching capacitor through the switching thyristor and the first inductor is connected to the positive output of the load and to the cathode of the main thyristor, the common connection point of the switching thyristor and the first inductor is connected to the cathode of the additional reverse diode, the anode of which is connected to the negative output of the load circuit and the negative lining of the switching capacitor, unit thyristor control is made in the form of autonomous control circuits for each thyristor, while the autonomous main thyristor control circuit is made in the form of a chain of diode, zener diode and resistor connected in series, one of the terminals of which is connected to the common connection point of the positive plate of the switching capacitor, the anode of the switching thyristor and the charging cathode thyristor, and the other output of the specified chain to the control electrode of the main thyristor, and the diode and the zener diode are connected counterclockwise, and the diode and control The main thyristor transition according to the stand-alone switching thyristor control circuit is made in the form of a chain of series-connected resistor, zener diode and limit switch contacts designed for mechanical communication with the moving part of the contactor, with one terminal of this chain connected to the control electrode of the switching thyristor and the other to the common the junction of the positive plate of the switching capacitor and the cathode of the charging thyristor, an autonomous charging control circuit The aristor is made in the form of a chain of diode, resistor and contacts connected in series, one of the terminals of which is connected to the control electrode of the charging thyristor, and the other to the positive terminal of the load circuit, and these contacts are designed for mechanical communication with the contacts of an element including an electromagnet coil.