RU2668986C1 - Переключающее устройство для проведения и прерывания электрических токов - Google Patents
Переключающее устройство для проведения и прерывания электрических токов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2668986C1 RU2668986C1 RU2016128748A RU2016128748A RU2668986C1 RU 2668986 C1 RU2668986 C1 RU 2668986C1 RU 2016128748 A RU2016128748 A RU 2016128748A RU 2016128748 A RU2016128748 A RU 2016128748A RU 2668986 C1 RU2668986 C1 RU 2668986C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- switching
- mechanical contact
- semiconductor switch
- voltage
- current
- Prior art date
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 64
- 230000000712 assembly Effects 0.000 abstract 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
- H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
- H03K17/567—Circuits characterised by the use of more than one type of semiconductor device, e.g. BIMOS, composite devices such as IGBT
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
- H01H33/02—Details
- H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
- H01H33/596—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle for interrupting dc
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
- H01H33/02—Details
- H01H33/04—Means for extinguishing or preventing arc between current-carrying parts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H33/00—High-tension or heavy-current switches with arc-extinguishing or arc-preventing means
- H01H33/02—Details
- H01H33/59—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switch and not otherwise provided for, e.g. for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
- H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
- H01H9/547—Combinations of mechanical switches and static switches, the latter being controlled by the former
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
- H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
- H01H9/56—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere for ensuring operation of the switch at a predetermined point in the ac cycle
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
- H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
- H03K17/081—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit
- H03K17/0814—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit
- H03K17/08148—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the output circuit in composite switches
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
- H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
- H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
- H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
- H01H2009/543—Contacts shunted by static switch means third parallel branch comprising an energy absorber, e.g. MOV, PTC, Zener
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
- H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
- H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
- H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
- H01H2009/544—Contacts shunted by static switch means the static switching means being an insulated gate bipolar transistor, e.g. IGBT, Darlington configuration of FET and bipolar transistor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
- H01H9/00—Details of switching devices, not covered by groups H01H1/00 - H01H7/00
- H01H9/54—Circuit arrangements not adapted to a particular application of the switching device and for which no provision exists elsewhere
- H01H9/541—Contacts shunted by semiconductor devices
- H01H9/542—Contacts shunted by static switch means
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
- H03K2217/0081—Power supply means, e.g. to the switch driver
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Driving Mechanisms And Operating Circuits Of Arc-Extinguishing High-Tension Switches (AREA)
- Relay Circuits (AREA)
- Keying Circuit Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к переключающим устройствам для проведения и прерывания электрических токов. Технический результат заключается в предотвращении развития электрических дуг при прерывании электрического тока. Технический результат достигается за счет вспомогательной катушки, которая гальванически изолирована от контура тока переключающего привода для перемещения контактов первого и второго механических контактных устройств и электромагнитно связана с катушкой переключающего привода таким образом, чтобы в ней вырабатывалось напряжение при отключении подачи напряжения в переключающий привод, при этом на электронную коммутационную систему подается напряжение, которое генерируется во вспомогательной катушке при отключении подачи напряжения в переключающий привод, и трансформатора тока, предназначенного для обнаружения протекания тока через полупроводниковый переключатель и генерирования соответствующего сигнала, который подается в электронную систему коммутации, причем электронная система коммутации выполнена с возможностью отключения полупроводникового переключателя в зависимости от подаваемого сигнала. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
[1] Изобретение относится к переключающему устройству для проведения и прерывания электрических токов и распределительному устройству, содержащему переключающее устройство этого типа.
Предшествующий уровень техники
[2] Традиционный принцип коммутации для переключения и подавления более высоких токов в распределительных устройствах, как правило, состоит в использовании контактного устройства с двойным прерыванием, которое проводит коммутационные дуги, возникающие в них, по направляющим для проведения дуги в виде пакета пластин, состоящего из гасительных плоских электродов в форме деионных дугогасительных камер. В этих камерах дуги охлаждаются и разделяются на множество поддуг, и это связано с соответствующим умножением напряжения электрической дуги. При достижении напряжения возбуждения дуга гасится и, таким образом, разрывается токовая цепь. При коммутации больших переменных токов гашение дуги обычно осуществляется с помощью динамических магнитных полей системы магнитного дутья, которые образуются внутри распределительного устройства за счет соответствующего формирования проводников тока. Однако для гашения постоянных токов, как правило, используются электромагнитные поля системы магнитного дутья, которые обычно вырабатываются посредством размещения постоянных магнитов.
[3] В отличие от традиционных распределительных устройств переменного тока, которые уже давно присутствуют на рынке, сравнительно большие распределительные устройства для прерывания низкочастотных токов, например, при частоте 16 2/3 Гц и постоянных токов, соответственно, имеют более высокую нагрузку в связи с более низкой или отсутствующей периодичностью прохождения тока через нуль. Более продолжительное время действия дуги, обусловленное этим, обеспечивает более высокую энергоемкость коммутационных дуг по сравнению с распределительными устройствами переменного тока. Это приводит одновременно к более интенсивному выгоранию материала контактов и, соответственно, к высокой тепловой нагрузке в пределах переключающей камеры. Тепловая нагрузка этого типа может понизить рабочие характеристики изоляции внутри переключающей камеры. В результате, это может привести к снижению срока службы электрического распределительного устройства.
[4] Один из вариантов уменьшения нагрузки на распределительное устройство, возникающее в результате действия коммутационных дуг, представляет собой то, что известно как гибридные выключатели. Известные гибридные выключатели, которые описаны, например, в документе DE 103 15 982 A1, состоят из параллельной цепи контактного устройства главного выключателя с электромеханическим приводом, содержащей полупроводниковый переключатель, например, на основе мощного биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT). При включении упомянутый IGBT-транзистор имеет высокое сопротивление, и поэтому ток нагрузки протекает только через замкнутые механические контакты. В процессе выключения полупроводниковый переключатель приводится в действие таким образом, что он имеет низкое сопротивление в течение короткого периода времени, и поэтому ток дуги, протекающий через механический выключатель, переключается на полупроводниковый переключатель в течение короткого периода времени, и затем упомянутый полупроводниковый переключатель приводится снова в действие способом блокировки тока, в результате чего ток, протекаемый в полупроводнике, быстро уменьшается до нуля без возникновения каких-либо дуг. Используя гибридную сборку этого типа, можно значительно уменьшить эффективное время действия дуги и поэтому можно значительно уменьшить нагрузку на выключатель.
[5] Большинство гибридных выключателей требует внешнего источника питания для того, чтобы подавать питание и приводить в действие полупроводниковую электронную систему. Этот недостаток устранен с помощью изобретения, описанного в документе DE 20 2009 004 198 U1. Это осуществляется таким образом, что мощность, требуемая для работы электронной системы, забирается из дуги, которая возникает при размыкании механического выключателя. В то же самое время блок для хранения энергии, предпочтительно в виде конденсатора, заряжается током дуги и затем подает управляющее напряжение для отключения силового полупроводника без каких-либо дуг. Поэтому процесс коммутации в гибридном выключателе этого типа всегда задействует коммутационную дугу, которая временно образуется между механическими контактами. Однако недостатком такой конструкции является, с одной стороны, нагрузка на распределительное устройство, как и раньше в связи с выгоранием контактов (даже в случае, если оно соответственно уменьшается вследствие значительно сокращенного времени действия дуги) и, с другой стороны, относительно продолжительная токовая нагрузка (особенно для более высоких токов) на силовой полупроводник до тех пор, пока не будет достигнуто надежное повышение напряжения.
[6] В схеме, описанной в документе US 2005/0195550 A1, энергия, накопленная в катушке электромагнитного привода, используется для приведения в действие полупроводникового переключателя. Для того, чтобы разомкнуть контакты распределительного устройства, подача питания на катушку привода отключается. Таким образом, катушка высвобождает энергию, накопленную таким образом, через стабилитрон, который подсоединен к первичной катушке трансформатора. Электрическая энергия, протекающая через первичную катушку, вырабатывает соответствующее напряжение на вторичной катушке трансформатора, напряжение которого возбуждает ток через резистор для ограничения тока и через стабилитрон, соединенный параллельно со вторичной катушкой, ток которой включает полупроводниковый переключатель, который соединен параллельно контактам распределительного устройства и берет на себя ток нагрузки. Таким образом, полупроводниковый переключатель включается более быстро, чем размыкаются механические контакты распределительного устройства, и поэтому ток нагрузки можно уже коммутировать в момент времени, при котором механические контакты на полупроводниковом переключателе разомкнуты. В результате, можно в принципе предотвратить развитие коммутационной дуги между механическими контактами.
[7] Переключающее устройство для проведения и прерывания электрических токов, имеющих признаки ограничительной части п.1 формулы изобретения, известной из документа ЕР 2 410 551 A2.
[8] В документе US 3639808 описана схема защиты контактов для реле, на катушку которой подается постоянное напряжение и контакт переключает переменное напряжения. Симистор соединен параллельно контакту и может управляться с помощью катушки, которая магнитно связана с катушкой реле.
[9] Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы предложить переключающее устройство для проведения и прерывания электрических токов и распределительное устройство, содержащее переключающее устройство этого типа, которое позволяет дополнительно улучшить схему, известную из документа US 2005/0195550 A1.
Сущность изобретения
[10] Эта задача решается с помощью предмета изобретения независимых пунктов формулы изобретения. Дополнительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
[11] Основная идея настоящего изобретения включает в себя использование двух механических контактных устройств, соединенных последовательно, и полупроводникового переключателя, соединенного параллельно с одной из механических контактных устройств для того, чтобы в значительной степени предотвратить развитие дуг при прерывании электрического тока, и также обеспечить надежную гальваническую развязку, которая в принципе не имеет контактных устройств на основе полупроводника, посредством второго электромеханического контактного устройства, соединенной последовательно.
[12] Один вариант осуществления изобретения относится к переключающему устройству для проведения и прерывания электрических токов, содержащему первое механическое контактное устройство, полупроводниковый переключатель, соединенный параллельно с первым механическим контактным устройством, второе механическое контактное устройство, соединенное последовательно с первым механическим контактным устройством, вспомогательную катушку, которая гальванически изолирована от контура тока переключающего привода для перемещения контактов первого и второго механических контактных устройств и электромагнитно связана с катушкой переключающего привода таким образом, чтобы в ней вырабатывалось напряжение при отключении напряжения в переключающий привод, и электронную коммутационную систему, которая предназначена для включения и отключения полупроводникового переключателя и подачи напряжения, которое вырабатывается во вспомогательной катушке при отключении подачи напряжения, в переключающий привод . Благодаря полупроводниковому переключателю, соединенному параллельно с первым механическим контактным устройством, можно уменьшить продолжительность развития дуг во время коммутации. Кроме того, за счет гальванической развязки источника питания от электронной коммутационной системы посредством вспомогательной катушки можно достичь высокой электрической прочности, если вспомогательная катушка разработана соответствующим образом, в результате чего электронная коммутационная система особенно хорошо защищена от слишком высоких напряжений.
[13] Вспомогательную катушку можно намотать на катушку переключающего привода. В результате, можно достичь особенно эффективной электромагнитной связи с катушкой переключающего привода, что означает, что можно получить надежный источник питания для электронной коммутационной системы.
[14] Электронная коммутационная система может быть предназначена для включения полупроводникового переключателя сразу после подачи напряжения из вспомогательной катушки. Так как механическое размыкание переключающихся контактов первого механического контактного устройства обычно занимает больше времени, чем подача питания в электронную коммутационную систему посредством вспомогательной катушки, полупроводниковый переключатель может уже включиться перед размыканием переключающих контактов, и поэтому электрический ток, который необходимо выключить, можно коммутировать от первого механического контактного устройства до полупроводниковый переключатель в основном без какого-либо возникновения дуг.
[15] Кроме того, можно предусмотреть трансформатор тока для обнаружения протекания тока через полупроводниковый переключатель и генерирования соответствующего сигнала, который передается в электронную коммутационную систему, при этом электронная коммутационная система предназначена для отключения полупроводникового переключателя в зависимости от передаваемого сигнала. Это позволяет адаптировать управление полупроводниковым переключателем, в частности, при отключении упомянутого переключателя, к флуктуациям, характерным для аппарата, электрического тока, который необходимо выключить. В частности, отключение полупроводникового переключателя можно лучше адаптировать фактическому протеканию тока.
[16] Например, электронная коммутационная система может быть предназначена для отключения полупроводникового переключателя сразу после приема сигнала из трансформатора тока и после того, как истечет заданный период времени протекания тока. Поэтому сразу после того, как трансформатор тока покажет, что ток протекает через включенный полупроводниковый ключ, продолжительность времени, в течение которого этот ток протекает, можно ограничить с помощью электронной коммутационной системы таким образом, чтобы полупроводниковый переключатель не находился под нагрузкой при протекании тока в течение слишком продолжительного периода времени. Заданный период времени протекания тока можно вычислить таким образом, чтобы после гашения коммутационной дуги, возникающей между контактами размыкающей второго механического контактного устройства, существовал период времени, достаточный для повторного восстановления прочности коммутационного промежутка при последовательном соединении первого и второго механических контактных устройств.
[17] Первую и вторую механические контактные устройства можно также выполнить с возможностью размыкания с помощью переключающего привода с задержкой по времени таким образом, чтобы второе механическое контактное устройство размыкалось только после того, как истечет заданный промежуток времени после размыкания первого механического контактного устройства. Так как контакты размыкаются с задержкой, можно почти полностью предотвратить возникновение дуги при размыкании контактов второго механического контактного устройства, если ток уже снизился до нуля в пределах заданного промежутка времени с помощью полупроводникового переключателя.
[18] Другой вариант осуществления изобретения также относится к распределительному устройству, содержащему переключающее устройство согласно изобретению и, как описано в данном документе, к переключающему приводу для перемещения контактов первого и второго механических контактных устройств. Распределительное устройство этого типа может иметь, в частности, специально модифицированный электромагнитный привод, в котором вспомогательная катушка переключающего устройства согласно изобретению намотана на катушку привода и обеспечивает подачу питания в электронную коммутационную систему, которая приводит в действие гибридный выключатель распределительного устройства.
Краткое описание чертежей
[19] Другие преимущества и возможные применения настоящего изобретения приведены в последующем описании совместно с вариантами осуществления, показанными на чертежах.
[20] Терминология и связанные с ней ссылочные позиции, которые используются в перечне ссылочных позиций, приведенном в конце описания, используются в описании, формуле изобретения, реферате и на чертежах.
[21] На чертежах показано:
[22] фиг.1 - принципиальная блок- схема варианта осуществления переключающего устройства, содержащего двухконтактный узел согласно изобретению; и
[23] фиг.2 - вариант осуществления магнитного привода распределительного устройства согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
[24] В последующем описании одинаковые, функционально одинаковые и функционально связанные элементы могут быть обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Абсолютные значения указаны ниже только посредством примера, и их не следует понимать как имеющие ограничивающие действия на изобретение.
[25] На фиг.1 показана принципиальная блок- схема переключающего устройства согласно изобретению для двухполюсного, независящего от полярности распределительного устройства. Соединения распределительного устройства для двух полюсов обозначены L1, T1 и L2, T2, соответственно.
[26] Для каждого полюса переключающее устройство содержит параллельное соединение первого механического ( дугогасительного) контактного устройства 10 с полупроводниковым переключателем 20 на основе встречно-последовательно включенной IGBT-сборки, которая соединена последовательно со вторым механическим контактным устройством 30 для обеспечения гальванической развязки.
[27] Полупроводниковый переключатель 20 включается или выключается, то есть активируется или разъединяется с помощью электронной коммутационной системы 50. Питание электронной коммутационной системы 50 осуществляется энергией, накопленной в катушке (электромагнитного привода) переключающего привода или электромагнитного привода распределительного устройства. Для этой цели предусмотрена вспомогательная катушка 40, которая гальванически изолирована от контура тока переключающего привода и (как описано подробно выше в дальнейшем) может вырабатывать напряжение для подачи в электронную коммутационную систему 50 при отключении переключающего привода.
[28] Например, вспомогательная катушка 40 может быть намотана на катушку привода. На фиг.2 показан электромагнитный привод, модифицированный таким способом для двухполюсного или многополюсного выключателя (показанный привод по существу не ограничивается конкретным числом полюсов). На этой фигуре катушка привода выполнена в виде двух полукатушек 45a, 45b, соединенных последовательно, причем каждый модуль включают в себя магнитопровод U-образного магнитного сердечника 46. Отдельная вспомогательная катушка 40 намотана на каждую из этих полуобмоток и гальванически изолирована от соответствующих обмоток привода. В этом случае вспомогательная катушка 40 либо подает питание на полупроводниковый переключатель 20 одного полюса в каждом случае, либо две вспомогательные катушки 40 подают питание в электронную коммутационную систему 50 двух полюсов с возможностью резервирования.
[29] При включении, то есть когда переключающий привод подает напряжение и ток на катушку магнитного привода, и контакты первого и второго механических контактных устройствустройств10 и 30 замкнуты, полупроводниковый переключатель 20 разъединяется, так как в этом состоянии вспомогательная катушка 40 не вырабатывает напряжение для подачи напряжения в электронную коммутационную систему 50, и поэтому электронная коммутационная система 50 остается без напряжения, и нельзя активировать IGBT-транзисторы полупроводникового переключателя 20.
[30] В момент времени, когда отключается подача напряжения и тока в катушку электромагнитного привода переключающего привода для размыкания контактов первого и второго механических контактных устройствустройств10 и 30, энергия, накопленная в катушке электромагнитного привода, вырабатывает напряжение холостого хода, который в свою очередь наводит напряжение, которое активирует электронную коммутационную систему 50 во вспомогательной катушке 40, которая электромагнитно связана с катушкой электромагнитного привода.
[31] Напряжение, наведенное во вспомогательной катушке 40, является достаточным как для подачи напряжения в электронную коммутационную систему 50, так и для повышения напряжения, требуемого для активации IGBT-транзисторов. Вспомогательная катушка 40 имеет преимущество, связанное с тем, что полупроводниковый переключатель может быть уже активирован до размыкания контактов первого и второго механических контактных устройств10 и 30.
[32] В распределительных устройствах, содержащих электромеханический электромагнитный привод, период времени между инициированием процесса отключения и размыканием механических контактов составляет, как правило, несколько миллисекунд (мс), типично приблизительно 10 мс. В течение этого времени пороговое напряжение IGBT-транзисторов (как правило, около 7 В) обычно уже превышает напряжение, наведенное на вспомогательной катушке 40, и поэтому электронная коммутационная система 50 может подавать упомянутое напряжение на IGBT-транзисторы полупроводникового переключателя 20, в результате чего IGBT-транзисторы соединены низкоомным способом (таким образом, полупроводниковый переключатель 20 включается), и ток нагрузки, который необходимо выключать, непосредственно коммутируется в полупроводниковом переключателе 20, когда разомкнуты (дугогасительные) контакты первого механического контактного устройства 10.
[33] Таким образом, за счет предварительной активации IGBT-транзисторов дуга больше не возникает между размыкающими дугогасительными контактами механического контактного устройства 10. Во время низкоомной фазы IGBT-транзисторов полупроводникового переключателя 20, то есть до тех пор, пока вспомогательная катушка 40 обеспечивает подачу достаточного рабочего напряжения на электронную коммутационную систему 50, дуга может возникать только в течение короткого периода времени между размыкающими (изолирующими) контактами второго механического контактного устройства 30; это можно также предотвратить в случае, если изолирующие контакты второго механического контактного устройства 30 не размыкаются в одно и то же время, как и дугогасительные контакты первого механического контактного устройства 10, но скорее всего изолирующие контакты размыкаются после определенной временной задержки по сравнению с дугогасительными контактами, и это может быть вызвано, например, соответствующей механической конструкцией двух механических контактных устройствустройств10 и 30.
[34] С точки зрения максимально возможного срока службы IGBT-транзисторов и с точки зрения их допустимых больших размеров, целесообразно ограничить протекание тока через полупроводниковый переключатель 20 с учетом времени таким образом, чтобы ток протекал здесь только до тех пор, пока механический коммутационный промежуток повторно не затвердеет в достаточной степени. Для того, чтобы минимизировать время протекания тока через полупроводниковый переключатель 20, важно иметь точные знания о моменте времени коммутации, так как эффективные промежутки времени для процесса механического отключения колеблются по различным причинам в каждом распределительном устройстве.
[35] Согласно настоящему изобретению момент времени коммутации IGBT-транзистора полупроводникового переключателя 20, который уже был активирован, можно определить с помощью трансформатора 60 тока, расположенного в нем. Трансформатор 60 тока вырабатывает сигнал сразу после того, как ток начинает протекать через IGBT-транзисторы полупроводникового переключателя 20, таким образом коммутируя протекание тока от первого механического контактного устройства 10 в полупроводниковый переключатель 20. Сигнал, который вырабатывается трансформатором 60 тока и показывает коммутацию, передается в электронную коммутационную систему 50, которая затем активирует полупроводниковый переключатель 20 в зависимости от упомянутого сигнала, как описано ниже.
[36] Сразу после того как происходит коммутация, электронная коммутационная система 50 может активировать полупроводниковый переключатель 20 таким образом, чтобы IGBT-транзисторы полупроводникового переключателя 20 возобновляли свою функцию блокировки спустя промежуток времени протекания тока, который является коротким, определяемым с помощью cистемы электронного привода или заданным, и поэтому кооммутированный ток нагрузки в полупроводниковом переключателе 20 падает до нуля в пределах определенного промежутка времени. В этом случае, электронная коммутационная система 50 вычисляет время протекания тока таким образом, чтобы при возникновении временной коммутационной дуги на изолирующих контактах было достаточно времени для повторного восстановления прочности коммутационного промежутка после гашения упомянутой дуги. Это особенно важно для сильных токов в воздушных зазорах при размыкании контактов. Если вакуумные камеры переключения используются для механической изоляции, можно получить сравнительно короткие промежутки времени повторного восстановления прочности, и это является преимущественным для минимизации времени протекания тока в IGBT-транзисторах.
[37] Оснащая полупроводниковый переключатель 20 встречно-последовательными включенными IGBT-транзисторами, узел переключения этого типа можно использовать как для постоянных токов, имеющих любое направление протекания тока, так и для переменных напряжений, имеющих различные частоты, при этом время переключения не зависит от фазового угла вследствие того, что питание на модуль привода подается отдельно.
[38] В процессе отключения в полупроводниковом переключателе 20 при больших токах dI/dt имеет высокие значения, в результате чего могут возникать резкие значки напряжения, значительно больше, чем 1 кВ. Для защиты от таких скачков напряжения целесообразно подключить защитный элемент, например, в виде варистора 70 либо перед полупроводниковым переключателем 20 либо параллельно ему.
[39] Когда достигнуто состояние, в котором ток равен нулю, полупроводниковый переключатель 20 постоянно берет на себя функцию блокировки. Наряду с этим в гибридном выключателе осуществляется надежная гальваническая развязка с помощью изолирующих контактов 30, которые между тем были разомкнуты.
[40] Если посредством подходящей механической или электронной связи гарантируется, что дугогасительные контакты первого механического контактного устройства 20 срабатывают раньше изолирующих контактов второго механического контактного устройства 30 на величину времени, в течение которого полупроводниковый переключатель 20 проводит электрический ток, можно достичь, что две механические контактные устройства 10 и 30 переключаются почти полностью без возникновения каких-либо дуг, и это соответственно является преимуществом для обеспечения предполагаемого срока службы переключающего устройства и, в особенности, гибридного выключателя.
[41] Настоящее изобретение особенно подходит для использования в контакторах, выключателях электропитания и защитных выключателях электродвигателей, которые предназначены, в частности, для работы с постоянными токами и/или низкочастотными токами. Настоящее изобретение делает возможным переключение больших постоянных токов и низкочастотных токов при сравнительно продолжительном сроке службы, так как можно предотвратить возникновение продолжительных электрических дуг, а также продолжительный период токовой нагрузки на полупроводниковый ключ. Кроме того, эти свойства позволяют производить сравнительно компактные распределительные устройства для больших токов.
Перечень ссылочных позиций
10 первое механическое контактное устройства
20 полупроводниковый переключатель
30 второе механическое контактное устройство
40 гальванически изолированная вспомогательная катушка
45a первая полукатушка
45b вторая полукатушка
46 U-образный магнитный сердечник
50 электронная коммутационная система
60 трансформатор тока
70 варистор.
Claims (19)
1. Переключающее устройство для проведения и прерывания электрических токов, содержащее
- первое механическое контактное устройство (10),
- полупроводниковый переключатель (20), соединенный параллельно с первым механическим контактным устройством,
- второе механическое контактное устройство (30), соединенное последовательно с первым механическим контактным устройством, и
- электронную коммутационную систему (50), которая предназначена для включения и отключения полупроводникового переключателя (20),
отличающееся тем, что
- предусмотрена вспомогательная катушка (40), которая гальванически изолирована от контура тока переключающего привода для перемещения контактов первого и второго механических контактных устройств и электромагнитно связана с катушкой переключающего привода таким образом, чтобы в ней вырабатывалось напряжение при отключении подачи напряжения в переключающий привод,
- на электронную коммутационную систему (50) подается напряжение, которое генерируется во вспомогательной катушке при отключении подачи напряжения в переключающий привод, и
- трансформатор (60) тока, предназначенный для обнаружения протекания тока через полупроводниковый переключатель и генерирования соответствующего сигнала, который подается в электронную систему коммутации, причем электронная система коммутации выполнена с возможностью отключения полупроводникового переключателя в зависимости от подаваемого сигнала.
2. Переключающее устройство по п.1, отличающееся тем, что электронная система коммутации предназначена для включения полупроводникового переключателя сразу после подачи напряжения из вспомогательной катушки.
3. Переключающее устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что электронная система коммутации предназначена для отключения полупроводникового переключателя сразу после приема сигнала от трансформатора тока и по истечении заданного времени протекания тока, то есть, как только трансформатор тока указывает на то, что ток протекает через включенный полупроводниковый переключатель таким образом, что продолжительность времени, в течение которого протекает этот ток можно ограничить с помощью электронной системы коммутации таким образом, чтобы полупроводниковый переключатель не находился слишком долго под нагрузкой при протекании тока.
4. Переключающее устройство по п.3, отличающееся тем, что заданный период времени протекания электрического тока вычисляется таким образом, чтобы после подавления возникновения коммутационной дуги между контактами размыкающей второго механического контактного устройства было достаточно времени для повторного восстановления прочности коммутационного промежутка при последовательном соединении первого и второго механических контактных устройств.
5. Переключающее устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первое и второе механические контактные устройства выполнены с возможностью размыкаться с помощью переключающего привода с задержкой по времени таким образом, чтобы второе механическое контактное устройство размыкалось только после истечения заданного промежутка времени после размыкания первого механического контактного устройства.
6. Переключающее устройство по п.3, отличающееся тем, что первое и второе механические контактные устройства выполнены с возможностью размыкаться с помощью переключающего привода с задержкой по времени таким образом, чтобы второе механическое контактное устройство размыкалось только после истечения заданного промежутка времени после размыкания первого механического контактного устройства.
7. Переключающее устройство по п.4, отличающееся тем, что первое и второе механические контактные устройства выполнены с возможностью размыкаться с помощью переключающего привода с задержкой по времени таким образом, чтобы второе механическое контактное устройство размыкалось только после истечения заданного промежутка времени после размыкания первого механического контактного устройства.
8. Переключающее устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что вспомогательная катушка намотана на катушку переключающего привода.
9. Распределительное устройство, содержащее
- переключающее устройство по любому из пп. 1-8, и
- переключающий привод для перемещения контактов первого и второго механических контактных устройств.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102013114259.1A DE102013114259A1 (de) | 2013-12-17 | 2013-12-17 | Schaltvorrichtung zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen |
DE102013114259.1 | 2013-12-17 | ||
PCT/EP2014/077034 WO2015091105A1 (de) | 2013-12-17 | 2014-12-09 | Schaltvorrichtung zum führen und trennen von elektrischen strömen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2016128748A RU2016128748A (ru) | 2018-01-23 |
RU2668986C1 true RU2668986C1 (ru) | 2018-10-05 |
Family
ID=52016579
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016128748A RU2668986C1 (ru) | 2013-12-17 | 2014-12-09 | Переключающее устройство для проведения и прерывания электрических токов |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US10290445B2 (ru) |
EP (1) | EP3084960B1 (ru) |
CN (1) | CN105830344B (ru) |
CA (1) | CA2934123A1 (ru) |
DE (1) | DE102013114259A1 (ru) |
PL (1) | PL3084960T3 (ru) |
RU (1) | RU2668986C1 (ru) |
WO (1) | WO2015091105A1 (ru) |
Families Citing this family (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102014008706A1 (de) * | 2014-06-18 | 2015-12-24 | Ellenberger & Poensgen Gmbh | Trennschalter zur Gleichstromunterbrechung |
DE102015003925A1 (de) * | 2015-03-25 | 2016-09-29 | Festo Ag & Co. Kg | Sicherheitsgerichtete Lastschalteinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer sicherheitsgerichteten Lastschalteinrichtung |
WO2017046885A1 (ja) * | 2015-09-16 | 2017-03-23 | 三菱電機株式会社 | 回路遮断器 |
DE102016106414A1 (de) | 2016-04-07 | 2017-10-12 | Eaton Electrical Ip Gmbh & Co. Kg | Schaltvorrichtung zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen |
DE102016106415A1 (de) * | 2016-04-07 | 2017-10-12 | Eaton Electrical Ip Gmbh & Co. Kg | Schaltvorrichtung zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen |
DE102016108245A1 (de) | 2016-05-03 | 2017-11-09 | Eaton Electrical Ip Gmbh & Co. Kg | Schaltvorrichtung zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen |
DE102016212915A1 (de) * | 2016-07-14 | 2018-01-18 | Siemens Aktiengesellschaft | Schaltanordnung sowie Verfahren zur Fehlerklärung |
DE102016213944A1 (de) * | 2016-07-28 | 2018-02-01 | Ellenberger & Poensgen Gmbh | Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung eines Halbleiterschalters |
DE102017112813A1 (de) | 2017-06-11 | 2018-12-13 | Eaton Electrical Ip Gmbh & Co. Kg | Doppelkontakt-Schalter mit Vakuumschaltkammern |
DE102017127886A1 (de) | 2017-11-24 | 2019-05-29 | Eaton Electrical Ip Gmbh & Co. Kg | Schaltvorrichtung zum Führen und Trennen von elektrischen Strömen und Schaltgerät mit einer derartigen Schaltvorrichtung |
US10629391B2 (en) * | 2017-12-21 | 2020-04-21 | Eaton Intelligent Power Limited | Fusible safety disconnect in solid state circuit breakers and combination motor starters |
DE102018213354A1 (de) | 2018-08-08 | 2020-02-13 | Siemens Aktiengesellschaft | Schaltgerät und Verfahren |
US11776784B2 (en) | 2018-09-21 | 2023-10-03 | North Carolina State University | Control of direct current circuit breakers with series semiconductor switches |
GB2579637A (en) * | 2018-12-07 | 2020-07-01 | Eaton Intelligent Power Ltd | Circuit breaker |
US11127552B2 (en) | 2019-04-05 | 2021-09-21 | Eaton Intelligent Power Limited | Hybrid switch assembly and circuit interrupter including the same |
EP3767658B1 (en) * | 2019-07-18 | 2022-06-08 | ABB Schweiz AG | Switch for mv or hv traction line test device |
RU2767604C2 (ru) * | 2020-06-05 | 2022-03-18 | Индивидуальный предприниматель Кульчицкий Сергей Юрьевич | Комбинированное реле |
US11482851B2 (en) * | 2020-10-14 | 2022-10-25 | Eaton Intelligent Power Limited | Arc flash mitigation device |
FR3116391B1 (fr) * | 2020-11-18 | 2022-12-16 | Hager Electro Sas | Appareillage de protection à coupure électronique |
CN113436918B (zh) * | 2021-06-24 | 2022-10-28 | 福州大学 | 一种批量电磁开关的混联控制方法 |
GB2615368A (en) * | 2022-02-08 | 2023-08-09 | Eaton Intelligent Power Ltd | Circuit breaker |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2020738C1 (ru) * | 1991-06-11 | 1994-09-30 | Анатолий Васильевич Козловский | Выключатель приближения |
EP1649598B1 (en) * | 2003-08-01 | 2008-10-08 | BAE Systems Information and Electronic Warfare Systems | Isolated control apparatus incorporating light controlled power semiconductors |
RU112556U1 (ru) * | 2011-06-20 | 2012-01-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Переключатель мощных импульсов тока |
WO2013127463A1 (en) * | 2012-03-01 | 2013-09-06 | Alstom Technology Ltd | High voltage dc circuit breaker apparatus |
US20130234761A1 (en) * | 2012-03-07 | 2013-09-12 | Infineon Technologies Austria Ag | Charge Compensation Semiconductor Device |
Family Cites Families (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3639808A (en) * | 1970-06-18 | 1972-02-01 | Cutler Hammer Inc | Relay contact protecting circuits |
US4420784A (en) * | 1981-12-04 | 1983-12-13 | Eaton Corporation | Hybrid D.C. power controller |
US4959746A (en) | 1987-01-30 | 1990-09-25 | Electronic Specialty Corporation | Relay contact protective circuit |
US5081558A (en) * | 1990-02-02 | 1992-01-14 | Northrop Corporation | High voltage DC relays |
CN1050242C (zh) * | 1993-06-14 | 2000-03-08 | Vlt公司 | 电源变换装置、电源变换器控制装置及其制造电源变换器的方法 |
JPH08315666A (ja) | 1995-05-12 | 1996-11-29 | Mitsubishi Electric Corp | 遮断器および遮断装置 |
FR2772975B1 (fr) * | 1997-12-23 | 2003-01-31 | Crouzet Automatismes | Relais hybride de puissance |
FR2794890B1 (fr) * | 1999-06-08 | 2001-08-10 | Crouzet Automatismes | Relais electromecanique assiste a la commutation par semi-conducteur |
KR100434153B1 (ko) | 2002-04-12 | 2004-06-04 | 엘지산전 주식회사 | 하이브리드 직류 전자 접촉기 |
US7342754B2 (en) | 2004-03-02 | 2008-03-11 | Eaton Corporation | Bypass circuit to prevent arcing in a switching device |
CN101283889A (zh) * | 2008-06-05 | 2008-10-15 | 青岛地恩地机电科技股份有限公司 | 一种真空集尘器 |
US8277093B2 (en) | 2009-03-09 | 2012-10-02 | Yazaki Corporation | Connector, LED unit, and method for producing connector |
DE202009004198U1 (de) | 2009-03-25 | 2010-08-12 | Ellenberger & Poensgen Gmbh | Trennschalter zur galvanischen Gleichstromunterbrechung |
JP5594728B2 (ja) * | 2010-07-23 | 2014-09-24 | 松尾博文 | 直流スイッチ |
US8638531B2 (en) * | 2011-12-14 | 2014-01-28 | Eaton Corporation | Hybrid bi-directional DC contactor and method of controlling thereof |
DE202012007257U1 (de) * | 2012-07-26 | 2013-10-28 | Ellenberger & Poensgen Gmbh | Vorrichtung zum sicheren Schalten einer Photovoltaikanlage |
GB2510871B (en) * | 2013-02-15 | 2016-03-09 | Control Tech Ltd | Electrical protection device and method |
-
2013
- 2013-12-17 DE DE102013114259.1A patent/DE102013114259A1/de not_active Ceased
-
2014
- 2014-12-09 RU RU2016128748A patent/RU2668986C1/ru active
- 2014-12-09 CA CA2934123A patent/CA2934123A1/en not_active Abandoned
- 2014-12-09 CN CN201480069211.9A patent/CN105830344B/zh active Active
- 2014-12-09 WO PCT/EP2014/077034 patent/WO2015091105A1/de active Application Filing
- 2014-12-09 PL PL14809635T patent/PL3084960T3/pl unknown
- 2014-12-09 EP EP14809635.7A patent/EP3084960B1/de active Active
- 2014-12-09 US US15/104,538 patent/US10290445B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2020738C1 (ru) * | 1991-06-11 | 1994-09-30 | Анатолий Васильевич Козловский | Выключатель приближения |
EP1649598B1 (en) * | 2003-08-01 | 2008-10-08 | BAE Systems Information and Electronic Warfare Systems | Isolated control apparatus incorporating light controlled power semiconductors |
RU112556U1 (ru) * | 2011-06-20 | 2012-01-10 | Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН | Переключатель мощных импульсов тока |
WO2013127463A1 (en) * | 2012-03-01 | 2013-09-06 | Alstom Technology Ltd | High voltage dc circuit breaker apparatus |
US20130234761A1 (en) * | 2012-03-07 | 2013-09-12 | Infineon Technologies Austria Ag | Charge Compensation Semiconductor Device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
PL3084960T3 (pl) | 2021-01-11 |
CN105830344A (zh) | 2016-08-03 |
CN105830344B (zh) | 2019-03-15 |
EP3084960A1 (de) | 2016-10-26 |
US20160322184A1 (en) | 2016-11-03 |
EP3084960B1 (de) | 2020-08-05 |
US10290445B2 (en) | 2019-05-14 |
RU2016128748A (ru) | 2018-01-23 |
WO2015091105A1 (de) | 2015-06-25 |
CA2934123A1 (en) | 2015-06-25 |
DE102013114259A1 (de) | 2015-06-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2668986C1 (ru) | Переключающее устройство для проведения и прерывания электрических токов | |
KR102640183B1 (ko) | 전류를 차단하기 위한 장치, 시스템, 및 방법 | |
US8638531B2 (en) | Hybrid bi-directional DC contactor and method of controlling thereof | |
KR101569195B1 (ko) | 자계를 이용한 직류차단기 | |
WO2016056098A1 (ja) | 直流遮断器 | |
WO2016047209A1 (ja) | 直流遮断器 | |
JP2008166085A (ja) | 遮断器及びその開閉方法 | |
US11088689B2 (en) | Switching apparatus | |
US11232918B2 (en) | Switching device for conducting and interrupting electrical currents | |
KR102316659B1 (ko) | 수동 폐쇄 보조 제어 메커니즘 | |
JP2014235953A (ja) | コンタクタ用操作装置 | |
WO2012045360A1 (en) | Direct current circuit breaker | |
US9331475B2 (en) | Core | |
CN111433875B (zh) | 低压保护开关设备 | |
CN116569297A (zh) | 开关器件、断路器和供电*** | |
Meckler et al. | Does an electronic circuit breaker need electrical contacts? | |
RU2333585C1 (ru) | Устройство для защиты электрооборудования постоянного тока | |
CN211981490U (zh) | 一种高压断路器合闸静电耦合过电压保护装置 | |
SU1742934A1 (ru) | Устройство дл защиты тиристорного преобразовател от аварийных токов | |
Mehl | Requirements of the power system architecture for using the next generation of smart telecom power distribution systems in combination with solid state hypride circuit breakers | |
JP2024511834A (ja) | プラズマ管を備えた高dc電圧の電流のカットオフデバイス | |
SU357613A1 (ru) | Контактор для бездугового отключения цепей переменного тока | |
Mehl | The Next Generation Smart Telecom Power Distribution with Solid State Hypride Circuit Breakers and the Contribution to Power and Facility Management | |
JPH10304665A (ja) | 電圧制御装置 | |
CN105305383A (zh) | 一种电磁线圈保护装置 |