Безопасный трехфазный бесконтактный переключатель

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ БЕЗОПАСНЫЙ ТРЕХФАЗНЫЙ БЕСКОНТАКТНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ(71) Заявитель АЖД ПРАГА С.Р.О.(73) Патентообладатель АЖД ПРАГА С.Р.О.(57) 1. Безопасный трехфазный бесконтактный переключатель для управления трехфазным асинхронным двигателем, в частности, в области сигнальных устройств железнодорожного транспорта, например стрелочных приводов, содержащий три входных , , Т фазы,подключенных к питающей электросети, и три выходных , , Т фазы, соединенных с двигателем, имеющим частоту питающей электросети, отличающийся тем, что входные фазы , , Т соединены с первичной обмоткой трехфазного трансформатора, осуществляющего их гальваническую развязку, при этом переключатель выполнен с возможностью подачи фазных напряжений с первых выходов вторичных обмоток фаз , , Т трансформатора соответственно на три выходные фазы , , Т, напряжения и токи которых являются синусоидальными, а со вторых выходов вторичных обмоток фаз , , Т трансформатора - на общий узелне менее одного выхода каждой из вторичных обмоток фаз ,трансформатора соединены через соответствующие первую 1 и вторую 2 реактивные катушки с соответствующими входами первого 1 и второго 2 управляемых мостовых выпрямителей, выходы которых соединены с соответствующими 12254 1 2009.08.30 входами первого 1 и второго 2 управляемых мостовых инверторов содержит первый 1 и второй 2 антидемпфирующие элементы, не предназначенные для аккумулирования энергии в полуцепях постоянного тока, соответственно между выходами первого 1 и второго 2 выпрямителей. 2. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что выполнен с возможностью подачи фазных напряжений со вторых выходов вторичных обмоток фаз ,трансформатора на общий узелсо вторых выходов первого 1 и второго 2 инверторов соответственно. 3. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что частота переключения выпрямителей 1 и 2 и инверторов 1 и 2 идентична частоте соответствующих входных фазных напряжений. 4. Переключатель по п. 1, отличающийся тем, что содержит первую и вторую независимые полуцепи постоянного тока, не содержащие элементов аккумулирования энергии,для соответствующих входных фаз , , между выходами первого выпрямителя 1 и входами первого инвертора 1 и выходами второго выпрямителя 2 и входами второго инвертора 2 соответственно. 5. Переключатель по одному из пп. 1, 2, 4, отличающийся тем, что выходы вторичных обмоток фаз ,трансформатора соединены с соответствующими входами первого 1 и второго 2 управляемых мостовых выпрямителей, выходы которых соединены с соответствующими входами первого 1 и второго 2 инверторов. Настоящее изобретение относится к безопасному трехфазному бесконтактному переключателю для управления трехфазным асинхронным двигателем, в частности, в области сигнальных устройств железнодорожного транспорта, например стрелочных приводов. Безопасный трехфазный бесконтактный переключатель имеет три входных фазных напряжения и три выходных фазных напряжения. В настоящее время существует ряд способов управления стрелочными приводами с помощью трехфазных асинхронных двигателей. Безопасность управления стрелочными приводами, в частности, на железнодорожном транспорте характеризуется основным требованием, заключающимся в том, что двигатель не должен запускаться в случае отказа одной или нескольких частей стрелки. Один из способов управления стрелочным приводом, в частности, для сигнальных устройств на железнодорожном транспорте предусматривает использование реле 1-го класса безопасности, определенного стандартом 736 , и безопасность управления обеспечивается характеристиками указанного реле. Недостаток такого решения заключается в контактном переключении при ограниченном сроке службы контактов, а также в наличии механических деталей, содержащихся в данном типе реле. Другой недостаток заключается в больших габаритных размерах реле. Еще один способ управления двигателем стрелочного привода основан на использовании большого количества релекласса безопасности, определенного стандартом 736 , в результате чего безопасность переключения обеспечивается характеристиками данного типа реле с другими управляющими цепями. При этом недостаток также заключается в контактном переключении при ограниченном сроке службы контактов и в наличии механических деталей данного типа реле. Недостаток также заключается в необходимости использования большего количества релекласса безопасности и иных управляющих цепей с целью обеспечения требуемого уровня безопасности. Другой способ управления двигателем стрелочного привода предусматривает использование электронного преобразователя. Блок выпрямителей используется для выпрямления входного напряжения в преобразователе, и аккумулирующий элемент (конденсатор) служит для его фильтрования. Далее, используя широтно-импульсную модуляцию, сгла 2 12254 1 2009.08.30 женное выпрямленное напряжение преобразуют с помощью блока переключателей в напряжение с частотой сети. Между блоком выпрямителей и блоком переключателей расположена полуцепь постоянного тока с аккумулирующим элементом (конденсатором). Указанная полуцепь постоянного тока является общей для всех трех фаз. Частота переключения блока переключателей в несколько раз выше, чем полученная частота сети. Безопасность управления двигателем стрелочного привода обеспечивается тем, что в случае отказа части блока переключателей выпрямленное напряжение поступает на вход преобразователя, не создающего вращательного движения, но эффективно действующего против направления вращения ротора, т.е. обеспечивает торможение двигателя. Преимуществом данного решения является бесконтактное переключение двигателя стрелочного привода и возможность реверсивного вращения двигателя. Недостатком данного решения является возникновение пульсаций напряжений и тока, которые должны быть устранены с помощью дополнительного выходного фильтра. При необходимости установки дополнительной отдельной системы электропитания двигателя стрелочного привода возникают дополнительные проблемы, поскольку отсутствует возможность заземления фильтра и устранения высокочастотных компонентов. В соответствии с настоящим изобретением безопасный трехфазный бесконтактный переключатель позволяет устранить или существенно ограничить указанные выше недостатки. Предмет настоящего изобретения основан на том, что безопасный трехфазный бесконтактный переключатель имеет три входных фазы напряжения, разделенных друг от друга гальванической развязкой с использованием трансформатора. За гальванической развязкой фазных напряжений вплоть до выхода источников отдельных фаз расположен общий узел системы, образуемый соединением проводников отдельных фаз. Синусоидальные напряжения и токи, поступающие на трехфазный асинхронный двигатель, имеют частоту системы электропитания. Источник напряжения первой выходной фазы управляется первым мостовым инвертером. Источник напряжения второй выходной фазы управляется вторым мостовым инвертером. Источник напряжения третьей выходной фазы является вторичной обмоткой трансформатора или управляемым третьим мостовым инвертером. Общий узел отдельных фаз выхода безопасного трехфазного бесконтактного переключателя образован позади управляемых мостовых инвертеров. Две фазы, как минимум, соединены с соответствующими управляемыми мостовыми выпрямителями, выходы которых соединены с соответствующими управляемыми мостовыми инвертерами. Частота переключения управляемых мостовых выпрямителей и управляемых мостовых инвертеров является идентичной частоте выходных фазных напряжений. Позади управляемых выпрямителей находятся независимые полуцепи постоянного тока, не содержащие какие-либо элементы для аккумулирования энергии. С целью предотвращения обратного влияния системы электропитания, в частности,путем создания помех перед каждым управляемым мостовым выпрямителем установлена реактивная катушка. В целях подавления импульсов напряжения, вызванных работой управляемых инвертеров, между входами управляемых мостовых инвертеров расположены антидемпфирующие элементы. Основное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что указанное бесконтактное управление работы трехфазного асинхронного двигателя позволяет устранить проблемы существующих электронных преобразователей, т.е. безопасный трехфазный бесконтактный переключатель не образует на своем выходе какие-либо высшие гармоники напряжения и тока. Новый принцип безопасного бесконтактного переключателя в соответствии с настоящим изобретением заключается в том, что он функционирует при подаче синусоидальных напряжений и токов с частотой системы электропитания. На вход безопасного бесконтактного переключателя подается трехфазное гальванически раз 3 12254 1 2009.08.30 деленное напряжение. Далее две фазы напряжения преобразуются отдельно с помощью управляемых выпрямителей, на выходе которых имеется напряжение, имеющее положительную полуволну, т.е. имеет место преобразование негативной полуволны в положительную полярность. Позади управляемых выпрямителей подсоединены управляемые инвертеры, осуществляющие обратное преобразование напряжения, представленного только положительной полуволной, в синусоидальное напряжение. Между управляемыми выпрямителями и управляемыми инвертерами расположена полуцепь постоянного тока,не содержащая каких-либо элементов аккумулирования энергии и являющаяся независимой по отношению к каждой входной фазе. Частота переключения управляемых инвертеров идентична частоте соответствующих входных напряжений фаз. Ввиду того, что асинхронный двигатель представляет собой индуктивную нагрузку, во время его работы потребляется реактивный компонент энергии. Управляемые выпрямители и управляемые инвертеры имеют конструкцию, обеспечивающую передачу обратных компонентов тока,т.е. реактивных компонентов энергии обратно от двигателя к сети электропитания. Третья фаза напряжения подается непосредственно на выход без изменений. Создание общего узла отдельных фаз осуществляется позади управляемых инвертеров. Оценка безопасности переключателя производится в нерабочем состоянии двигателя,при котором сигналы не подаются на какие-либо переключающие элементы. Отдельные или множественные отказы отражены в направлении безопасности, т.е. при увеличении силы тока, на которое реагирует защитный элемент, расположенный до безопасного трехфазного бесконтактного переключателя, либо при возникновении постоянного напряжения на выходе безопасного трехфазного бесконтактного переключателя, в результате чего возникает тормозной эффект на двигателе. Генерирование управляющих сигналов для управления управляемых выпрямителей и инвертеров в двух соответствующих фазах решается путем применения общеизвестных способов. Реверсирование двигателя может быть обеспечено путем применения общеизвестных способов. Ниже приведено подробное описание настоящего изобретения на примерах осуществления, которое ведется со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых проиллюстрированы блок-схемы безопасного трехфазного бесконтактного переключателя фиг. 1 - основной вариант фиг. 2 - блок отключения и реверсирования с подсоединенным двигателем фиг. 3 - схема по фиг. 2 с установленным контактом фиг. 4 - направление напряжения в промежуточном контуре постоянного тока фиг. 5 - направление напряжения на выходе безопасного бесконтактного переключателя. Пример 1. На фиг. 1 проиллюстрирована основная блок-схема безопасного трехфазного бесконтактного переключателя , состоящего из трехфазного трансформатора , реактивных катушек 1, 2, мостовых выпрямителей 1, 2, антидемпфирующих элементов 1, 2 и мостовых инвертеров 1, 2. На фиг. 1 проиллюстрировано фактическое соединение выпрямителей 1, 2 и инвертеров 1, 2 с помощью диодов и транзисторов. На первичную обмотку трансформатораподается сетевое напряжение , , Т распределительной сети. Первый выход вторичной обмотки фазытрансформаторасоединен через реактивную катушку 1 с первым мостовым выпрямителем 1. Второй выход вторичной обмотки фазысоединен со вторым входом первого мостового выпрямителя 1. Положительный выход первого мостового выпрямителя 1 соединен с первым входом первого мостового инвертера 1. Отрицательный выход первого мостового выпрямителя 1 соединен со вторым входом первого мостового инвертера 1. Между положи 4 12254 1 2009.08.30 тельным и отрицательным выходом первого мостового выпрямителя 1 расположен первый антидемпфирующий элемент 1. Первый выход мостового инвертера 1 образует фазувыхода безопасного трехфазного бесконтактного переключателя . Второй выход первого мостового инвертера 1 соединен с общим узлом . Первый выход вторичной обмотки фазытрансформаторасоединен через вторую реактивную катушку 2 с первым входом второго мостового выпрямителя 2. Второй выход вторичной обмотки фазысоединен со вторым входом второго мостового выпрямителя 2. Положительный выход второго мостового выпрямителя 2 соединен с первым входом второго мостового инвертера 2. Отрицательный выход второго мостового выпрямителя 2 соединен со вторым входом второго мостового инвертера 2. Между положительным и отрицательным выходом второго мостового выпрямителя 2 расположен второй антидемпфирующий элемент 2. Первый выход второго мостового инвертера 2 создает фазувыхода безопасного трехфазного бесконтактного переключателя . Второй выход второго мостового инвертера 2 соединен с общим узлом . Первый выход вторичной обмотки фазы Т трансформатораобразует фазу Т выхода безопасного трехфазного бесконтактного переключателя . Второй выход вторичной обмотки фазы Т трансформаторасоединен с общим узлом . Общий узелсостоит из второго выхода первого мостового инвертера 1, второго выхода второго мостового инвертера 2 и второго выхода вторичной обмотки фазы Т трансформатора . Общий узелотдельных фаз , , Т сформирован позади управляемых инвертеров 1, 2. Трансформаторслужит для гальванической развязки первичных обмоток входного напряжения питания отдельных фаз , , Т с вторичных обмоток фаз , , Т и одновременно он служит для гальванического разделения отдельных вторичных обмоток , , Т друг от друга. Реактивные катушки 1, 2 служат для подавления импульсов обратного тока, возникающих в процессе работы выпрямителей 1, 2 и инвертеров 1, 2. Антидемпфирующие элементы 1, 2 служат для подавления импульсов напряжения,возникающих в процессе коммутирования тока между транзисторами и диодами в управляемых инвертерах 1, 2. Мостовые выпрямители 1, 2 и мостовые инвертеры 1, 2 состоят из электронных бесконтактных переключающих элементов, например, канальных полевых униполярных МОП-транзисторов, биполярных транзисторов с изолированным затвором и т.д. и иных полупроводниковых элементов, например диодов. На вход безопасного трехфазного бесконтактного переключателяподаются три фазы напряжения , , Т, отделенные гальванически друг от друга с помощью трансформатора . Две фазы напряжения ,по отдельности преобразуются с помощью управляемых мостовых выпрямителей 1, 2, на выходе которых пульсирует постоянное напряжение. Конструкция мостовых выпрямителей 1, 2 обеспечивает передачу реактивных компонентов энергии обратно в распределительную сеть электропитания. Позади управляемых мостовых выпрямителей 1, 2 находятся подсоединенные управляемые мостовые инвертеры 1, 2, которые преобразуют пульсирующее напряжение обратно в синусоидальное направление соответствующих фаз , . Между выпрямителями 1, 2 и инвертерами 1, 2 образуются две независимые полуцепи постоянного тока, не содержащие какого-либо элемента для аккумулирования энергии. Частота переключения выпрямителей 1, 2 и инвертеров 1, 2 идентична частоте входных фаз напряжений. Конструкция мостовых инвертеров 1, 2 обеспечивает передачу реактивного компонента электрической энергии. Входное третье фазное напряжение фазы Т непосредственно подается после гальванической развязки с использованием трансформаторав виде фазы Т на выход безопасного трехфазного бесконтактного переключателябез дополнительных изменений. Проводники от от 5 12254 1 2009.08.30 дельных фазных напряжений соединены с выходом, в результате чего образуется узелсистемы. Формирование управляющих сигналов для управления управляемых выпрямителей 1, 2 и инвертеров 1, 2 в двух соответствующих фазах зависит от реального осуществления, передаваемого выхода энергии, частоты входных фаз напряжений , , Т,расстояния подсоединенного двигателя от переключателяи т.д. Направления напряжений в полуцепях постоянного тока, проиллюстрированые на фиг. 4, зависят от фазы сигнала, выраженной в радианах. Кривая (а) является направлением напряжения полуцепи постоянного тока фазы . Криваяявляется направлением напряжения полуцепи постоянного тока фазы . Из проиллюстрированных зависимостей на фиг. 4 видно, что управляемые выпрямители 1, 2 преобразуют синусоидальный сигнал входного напряжения только в положительные полуволны. Направления напряжения на выходе безопасного трехфазного бесконтактного переключателя очевидны из фиг. 5 и зависят от фазы сигнала, выраженной в радианах. Кривая(с) является направлением напряжения фазного напряжения Т, криваяявляется направлением фазы напряжения , и кривая (е) является направлением напряжения фазы . Исходя из проиллюстрированных направления напряжения, очевидно, что управляемые мостовые инвертеры 1, 2 обратно преобразуют напряжение полуцепей постоянного тока, состоящего только из положительных полуволн, в синусоидальные направление напряжения. Пример 2. На фиг. 2 проиллюстрирована блок-схема примера осуществления безопасного трехфазного бесконтактного переключателя , содержащего блокдля отключения и реверсирования и трехфазный асинхронный двигатель М. Выходбезопасного трехфазного бесконтактного переключателясоединен с первым входом блокадля отключения и реверсирования. Первый вход блокадля отключения и реверсирования соединен с первым входом асинхронного двигателя М. Выходбезопасного трехфазного бесконтактного переключателясоединен со вторым входом блокадля отключения и реверсирования. Второй выход блокадля отключения и реверсирования соединен со вторым входом асинхронного двигателя М. Выход Т безопасного трехфазного бесконтактного переключателясоединен с третьим входом блокадля отключения и реверсирования. Третий выход блокадля отключения и реверсирования соединен с третьим входом асинхронного двигателя М. Выход от общего узлабезопасного трехфазного бесконтактного переключателяне подсоединен к указанному соединению. Безопасный трехфазный бесконтактный переключательв сочетании с блокомдля отключения и реверсирования обеспечивает отключение и управление трехфазного асинхронного двигателя М в обоих направлениях вращения. Такое осуществление используется, например, для управления двигателем в стрелочном приводе в области железнодорожной техники для переключения стрелок в оба положения в трехпроводном соединении трехфазного асинхронного двигателя М стрелочного привода. Пример 3. На фиг. 3 проиллюстрирована блок-схема примера осуществления безопасного трехфазного бесконтактного переключателя , содержащего блокдля отключения и реверсирования и трехфазный асинхронный двигатель М, компонентом которого является комплект контактов . Выходбезопасного трехфазного бесконтактного переключателясоединен с первым входом блокадля отключения и реверсирования. Первый выход блокадля отключения и реверсирования соединен с первым входом комплекта контактов . Первый выход комплекта контактовсоединен с первым входом трехфазного асинхронного двигателя М. 6 12254 1 2009.08.30 Выходбезопасного трехфазного бесконтактного переключателясоединен со вторым входом блокадля отключения и реверсирования. Второй выход блокадля отключения и реверсирования соединен со вторым входом комплекта контактов . Второй вход комплекта контактовсоединен со вторым входом трехфазного асинхронного двигателя М. Выход Т безопасного трехфазного бесконтактного переключателясоединен с третьим входом блокадля отключения и реверсирования. Третий выход блокадля отключения и реверсирования соединен с третьим входом комплекта контактов . Третий выход комплекта контактовсоединен с третьим входом трехфазного асинхронного двигателя М. Выход от общего узлабезопасного трехфазного бесконтактного переключателянепосредственно соединен с четвертым входом комплекта контактов . Безопасный трехфазный бесконтактный переключательв сочетании с блокомдля отключения и реверсирования обеспечивает отключение и управление трехфазного асинхронного двигателя М с помощью комплекта контактовв обоих направлениях вращения. Такое осуществление используется, например, для управления асинхронным трехфазным двигателем М в стрелочном приводе в области железнодорожной техники для переключения стрелок в оба положения в четырехпроводном соединении трехфазного асинхронного двигателя М стрелочного привода. Вышеупомянутые примеры не ограничивают варианты и комбинации решений в пределах объема, определенного прилагаемой формулой изобретения. Техническое решение используется во всех областях, где требуется безопасное управление трехфазными асинхронными двигателями М. Кроме того, его можно использовать в области железнодорожных сигнальных устройств для управления стрелочными приводами с трехфазными асинхронными двигателями М. Указанное решение также может найти применение в других областях, где требуется бесконтактное переключение. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8