Электронный выключатель для цепи постоянного тока

ЭЛЕКТРОННЫЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ДЛЯ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Настоящее изобретение относится к устройству для замыкания и размыкания цепи постоянного тока, содержащему вход цепи постоянного тока (DC-In), выполненный с возможностью соединения с печатной платой (1) и коллектором (С) биполярного транзистора с изолированным затвором(IGBT транзистора). Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT транзистор) выполнен с возможностью соединения с печатной платой (1). Выход цепи постоянного тока(DC-Out) выполнен с возможностью соединения с эмиттером (Е) биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT транзистора) и с печатной платой (1). Печатная плата (1) выполнена с возможностью соединения с затвором (G) биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT транзистора) и контроля заданных условий на входе и выходе цепи постоянного тока (DC-In, DC-Out).(71)(73) Заявитель и патентовладелец: ВАРТСИЛА НОРВЕЙ АС (NO) Область техники Это изобретение относится, в целом, к устройству для замыкания и размыкания цепи постоянного тока и для использования в качестве быстродействующего предохранителя. Более конкретно, это изобретение относится к электрическому выключателю для цепи постоянного тока, содержащему мощный биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT транзистор), используемый для замыкания и размыкания цепи постоянного тока и в качестве быстродействующего предохранителя. Изобретение главным образом предназначено для использования на буровых установках с несколькими двигателями, подключенными к общему звену постоянного тока. Предпосылки изобретения и уровень техники Выключатели, выполненные с возможностью размыкания цепи постоянного тока, имеются на рынке. Эти промышленные выключатели для цепей постоянного тока обычно выполнены с возможностью коммутации цепей максимальной мощностью приблизительно 1,5 кВт. В некоторых выключателях используются механические компоненты, а некоторые выключатели предназначены для использования только в маломощных установках, например в бытовых электроприборах. В другой группе промышленных выключателей для цепей постоянного тока для размыкания цепи используются взрывчатые вещества, что требует замены компонентов и технического обслуживания. В патентной заявке США 6738246 В 1 описан электрический выключатель для защиты от малых и больших сверхтоков. Это изобретение работает в диапазоне напряжений от 100 В до 1 кВ. В указанном изобретении совместно с компонентом для ограничения тока короткого замыкания используется ключ на основе микрореле. Ключ на основе микрореле представляет собой механическим ключ и коммутирует малые сверхтоки, а компонент для ограничения тока короткого замыкания коммутирует большие сверхтоки. Использование компонента для ограничения тока короткого замыкания разрушает ключ на основе микрореле. В международной патентной публикации WO 2007/022744 А 1 описан ограничитель тока, который содержит механический коммутационный блок. В международной патентной публикации WO 2007/020539 описана схема ограничителя тока, предназначенная для цепи зарядки аккумуляторной батареи. Эта схема быстро определяет изменение тока и ограничивает его с помощью коммутационного аппарата, коммутируемого затвором. Изобретение предназначено для использования в переносных и мобильных устройствах. В патентном документе Германии DE 19955682 описано устройство для ограничения тока, предназначенное для работы в цепях с высоким напряжением. Для размыкания контура тока в этом устройстве используются взрывчатые вещества. Использование взрывчатых веществ вызывает необходимость замены компонентов для возобновления работы устройства и технического обслуживания системы. Техническое обслуживание требует времени и запасных частей. Во время технического обслуживания функциональность системы ограничена. В патентной заявке США 2005/0002152 А 1 описаны система и способ ограничения тока короткого замыкания, основанные на использовании комбинации быстродействующего ключа и электрического предохранителя, соединенных параллельно. После определения короткого замыкания быстродействующий ключ в течение очень малого времени размыкается и передает ток на предохранитель, который выполнен с возможностью перегорания и прерывания тем самым тока короткого замыкания. Замена перегоревшего предохранителя новым обеспечивается автоматической системой. Вместо быстродействующего переключателя может использоваться кассета на основе взрывчатых веществ. В публикации Г. Волкера "Выключатель для цепи постоянного тока для аккумуляторной батареи электромобиля" (G. Walker, "A DC Circuit Breaker for an Electric Vehicle Battery Pack") описан статический выключатель для цепи постоянного тока, в котором используется полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (MOSFET). Это решение может использоваться в цепях напряжением в диапазоне сотен вольт. Примерам других известных решений является система защиты, описанная в патенте Германии DE 4108049 и предназначенная для систем переменного тока, которая не подходит для использования в цепях постоянного тока. В патентной заявке США 2002/0030532 описано решение, предотвращающее отказы, вызванные известным в данной области техники нагревом полупроводникового ключа, на печатной плате которого установлен IGBT транзистор. В европейской патентной публикации ЕР 1811665 описан ключ, коммутируемый затвором, и статья Krstik, S. et al. "Circuit breaker technology for advanced shoppower systems", Electric ship technologies Symposium 2007, ESTS apos; 07. IEEE 21-23 May 2007, Pages 201-208, в которой описаны быстродействующие ключи на основе IGBT транзисторов и тиристоров с интегрированным управлением (IGCT) для использования на суднах. Цель изобретения Целью настоящего изобретения является создание электронного устройства, предназначенного для замыкания и размыкания цепи постоянного тока. Настоящее изобретение решает проблему создания усовершенствованного выключателя для цепи постоянного тока, который может работать при высоких напряжениях, действовать как быстродействующий предохранитель, использоваться на буровых установках, приводах судов и промышленных установках и который не нуждается в замене частей для во-1 022947 зобновления работы после размыкания цепи. Указанные выше цели изобретения достигаются устройством, описанным в формуле изобретения. Сущность изобретения Указанные выше цели достигаются настоящим изобретением, в котором предлагается устройство,называемое электронным выключателем для цепи постоянного тока и передающее большую мощность с использованием биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT транзистора). Устройство служит в качестве быстродействующего предохранителя, так что при возникновении внутреннего короткого замыкания в одном транзисторе другие транзисторы на той же распределительной шине постоянного тока не испытывают влияния. Кроме того, устройство согласно настоящему изобретению не требует замены или ремонта компонентов и главным образом предназначено для использования на объектах относительно большой мощности, например буровых установках с несколькими приводами с общим звеном постоянного тока, приводах на судах или промышленных установках с несколькими приводами на общей распределительной шине постоянного тока. В предпочтительном варианте выполнения изобретения предлагается устройство для замыкания и размыкания цепи постоянного тока, содержащее вход цепи постоянного тока, выполненный с возможностью соединения с печатной платой и коллектором биполярного транзистора с изолированным затвором. Биполярный транзистор с изолированным затвором выполнен с возможностью соединения с печатной платой. Выход цепи постоянного тока выполнен с возможностью соединения с эмиттером биполярного транзистора с изолированным затвором и печатной платой. Печатная плата выполнена с возможностью соединения с затвором биполярного транзистора с изолированным затвором и контроля заданных условий на входе и выходе цепи постоянного тока. Еще в одном предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению с печатной платой соединены средства передачи сигнала, выполненные с возможностью передачи команд управления в устройство. В предпочтительном варианте выполнения устройства согласно настоящему изобретению средствами передачи сигналов являются оптические волокна. Оптические волокна по своему характеру обеспечивают очень безопасное соединение. В другом предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению средства передачи сигналов являются оптронной парой. Еще в одном предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению средства передачи сигналов имеют гальваническую развязку. В другом предпочтительном варианте выполнения устройства согласно изобретению с печатной платой соединены средства измерения температуры, предназначенные для измерения температуры теплоотводящего средства. Если измеренная температура теплоотводящего средства превышает установленное предельное значение, устройство отключается. В предпочтительном варианте выполнения устройства согласно настоящему изобретению указанные команды управления являются командами включения или выключения. Еще в одном предпочтительном варианте выполнения изобретения устройство выполнено с возможностью локализации отказа в преобразователе на общей распределительной шине постоянного тока до того, как отказ повлияет на соседние преобразователи. В другом предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения устройство выполнено с возможностью передачи результатов измерений в средства передачи сигналов. В предпочтительном варианте выполнения изобретения измеряются входное напряжение постоянного тока DC-In, выходное напряжение постоянного тока DC-Out, ток IE-DCB и температура теплоотводящего средства. Если эти измеренные величины превышают заданные значения, устройство выключается. В другом предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения устройство выполнено с возможностью передачи большой мощности, например 1,5 МВт. Это обеспечивает возможность использования устройства в установках большой мощности. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения устройство выполнено с возможностью использования в установках большой мощности, например буровых установках, приводах на судах или промышленных установках. Еще в одном предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения устройство выполнено с возможностью управления одной батареей конденсаторов цепи постоянного тока на распределительной шине постоянного тока. Краткое описание чертежей Далее изобретение описано более подробно со ссылкой на прилагаемый чертеж. Чертеж представляет собой схему электронного выключателя для цепи постоянного тока. Осуществление изобретения Как показано на чертеже, задача электронного выключателя для цепи постоянного тока заключается в соединении и разъединении выхода цепи постоянного тока со входом цепи постоянного тока в соответствии с принимаемыми сигналами управления. На чертеже показан электронный выключатель для цепи постоянного тока, содержащий биполяр-2 022947 ный транзистор с изолированным затвором (IGBT транзистор), который используется для замыкания и размыкания цепи постоянного тока и который действует как быстродействующий предохранитель. Принцип действия IGBT транзистора известен специалистам в данной области техники. Как показано на чертеже, вход цепи постоянного тока (DC-In) соединен с печатной платой 1 и коллектором С IGBT транзистора. Выход цепи постоянного тока (DC-Out) соединен с эмиттером Е IGBT транзистора и печатной платой 1. Печатная плата 1 соединена с затвором G IGBT транзистора и осуществляет контроль заданных условий на входе и выходе цепи постоянного тока. С печатной платой 1 также соединено устройство 2 для измерения температуры, измеряющее температуру теплоотводящего средства. Внутренние преобразователи постоянного тока на печатной плате 1 в электронном выключателе для постоянного тока преобразуют высокое напряжение постоянного тока на входе цепи постоянного тока (DC-In) в требуемое напряжение для внутренних электронных компонентов. Для осуществления такого преобразования внешний источник питания не требуется. Печатная плата 1 измеряет входное напряжение цепи постоянного тока (DC-In), выходное напряжение цепи постоянного тока (DC-Out), ток IEDCB, a устройство 2 для измерения температуры измеряет температуру теплоотводящего средства. К печатной плате 1 подключена пара оптоволоконных средств 3, с помощью которых осуществляется управление электронным выключателем для цепи постоянного тока. Оптоволоконные средства по свому характеру являются очень безопасным соединением. Эти оптоволоконные средства 3 соединены на другом конце с главным пультом управления, не показанным здесь, который передает команды включения и выключения в электронный выключатель для цепи постоянного тока и считывает его состояние. Оптоволоконные средства 3 используется для управления электронным выключателем для цепи постоянного тока благодаря тому, что они обеспечивают очень безопасное соединение. Других соединений, за исключением оптоволоконных средств 3, не требуется. Вместо оптоволоконных средств 3 также можно использовать, например, оптронные пары или другие средства передачи сигналов с гальванической развязкой. Оптронные пары можно использовать в любом случае при условии, что они обеспечивают требования к развязке. По оптоволоконным средствам 3 передаются команды управления от главного пульта управления в электронный выключатель для цепи постоянного тока, который, в свою очередь, непрерывно передает по оптоволоконным средствам 3 сигнал измерений (входное напряжение цепи постоянного тока (DC-In), выходное напряжение цепи постоянного тока (DC-Out), ток (IE-DCB), температуру теплоотводящего средства и коэффициент использования (динамическая тепловая модель и сигнал состояния (выключатель включен/выключен) в главный пульт управления. Сигнал, передаваемый оптоволоконными средствами 3 в электронный включатель цепи постоянного тока, является либо сигналом состояния "включено", либо сигналом состояния "выключено". Когда оптоволоконные средства 3 передают в электронный выключатель для цепи постоянного тока команду включения, нагрузочный конденсатор в печатной плате заряжается путем подачи в электронный выключатель для постоянного тока коротких импульсов, управляемых током, пока длительность импульса не превысит 10 мкс, непревышая предельное значение для тока (например, 3500 А), при этом считается, что электронный выключатель постоянного тока включен. Если электронный выключатель для постоянного тока не достигает критериев приемлемости (устройство для отсчета времени не регистрирует достижение предельного значения для тока за 10 мкс) в течение 2 с, этап зарядки прекращается и в пульт управления передается сообщение об отказе. Когда электронный выключатель для постоянного тока включен, он контролирует различные переменные. Электронный выключатель для постоянного тока выключается при превышении следующих примеров предельных значений для переменных: если контролируемый ток превышает 3500 А в течение более 10 мкс; если контролируемый ток превышает 2500 А в течение более 2 мин, т.е. коэффициент использования превышает 103%; если контролируемая температура теплоотводящего средства превышает 60 С. Вышеприведенные предельные значения являются лишь примерами предельных значений для выключения электронного выключателя для постоянного тока. Специалистам в данной области техники понятно, что эти предельные значения могут быть изменены. Каждый раз при выключении электронного выключателя для цепи постоянного тока при возникновении любого из указанных условий, он остается выключенным в течение 300 мс. Когда электронный выключатель для цепи постоянного тока получает от оптоволоконных средств 3 команду на выключение, он немедленно выключается. Для повторного включения электронного выключателя для цепи постоянного тока необходимо снять команду на выключение и передать новую команду на включение через 300 мс. Если определено полное короткое замыкание, электронный выключатель для цепи постоянного тока прерывает ток в течение 30 мкс. Соответственно, другие батареи конденсаторов цепи постоянного тока и соответствующие электронные преобразователи испытают лишь уменьшение напряжения постоянного тока на менее чем приблизительно 50 В, то есть короткое замыкание в соседней батарее конденсаторов на них не влияет вообще и они продолжают бесперебойную работу. Минимальное рабочее напряжение электронного выключателя для цепи постоянного тока равно приблизительно 400 В (при меньшем напряжении выключатель переходит в режим отключения). Максимальное непрерывное напряжение составляет приблизительно 1250 В, а максимальное пиковое напряжение длительностью 100 мкс составляет приблизительно 1600 В. Приведенные значения напряжения справедливы для входного напряжения DC-In и выходного напряжения DC-Out относительно минуса постоянного тока. Эти значения можно изменять путем выбора различных IGBT транзисторов и датчиков тока требуемого номинала, например указанные значения напряжения можно увеличить путем использования IGBT транзисторов и печатных плат, рассчитанных на большее напряжение. В отличие от традиционных электронных выключателей, в которых используются механические коммутационные аппараты, в выключателе согласно настоящему изобретению используются электронные коммутационные аппараты. IGBT транзистор используется совместно с электронными компонентами электронного выключателя для цепи постоянного тока. Преимуществом IGBT транзистора, которое позволяет использовать его в электронном выключателе, является возможность передачи очень большой мощности, как правило, 1,5 МВт. IGBT транзистор позволяет передавать очень большую мощность благодаря внутренней структуре, которая позволяет работать при больших напряжениях с малыми потерями на передачу. Для сравнения транзистор со структурой МОП позволяет передавать лишь мощность около 1,5 кВт, потому что его сопротивление возрастает квадратично увеличению напряжения. IGBT транзистор позволяет эффективно использовать перегрузочную способность по току и напряжению, что дает ему преимущество перед другими транзисторами. В настоящем изобретении IGBT транзистор используется таким способом, что транзистор защищает себя от перенапряжения. Так как IGBT транзистор и, следовательно, электронный выключатель для цепи постоянного тока могут работать при очень высоком напряжении, возможности их применения в промышленности шире, чем, например, для транзистора со структурой МОП или других подобных транзисторов. Промышленное применение может включать установки большой мощности, например буровые установки, приводы на судах и т.д. Другим преимуществом электронного выключателя для цепи постоянного тока является высокая скорость срабатывания защиты. Быстродействующая защита обеспечивается благодаря свойствам IGBT транзистора. Плавкие предохранители срабатывают обычно в течение минимум 10-100 мс, а быстродействующий защитный электронный выключатель для цепи постоянного тока срабатывает в течение микросекунд. Быстродействующая защита согласно настоящему изобретению предотвращает влияние внутреннего короткого замыкания в одном транзисторе на другие транзисторы в той же самой распределительной шине постоянного тока. Такая большая разница в скорости срабатывания - миллисекунды и микросекунды, означает, что защитный электронный выключатель для цепи постоянного тока согласно настоящему изобретению срабатывает настолько быстрее, например, плавкого предохранителя, что он обладает совершенно другими возможностями применения. Развязка электронного выключателя для цепи постоянного тока по отношению к сигналам осуществляется с помощью оптоволоконных средств или других средств развязки сигналов. Для изоляции теплоотводящего средства в IGBT транзисторе используется стандартная внутренняя керамическая изоляция. Выделяемая энергия направляется к теплоотводящему средству, на котором установлен IGBT транзистор. Температура этого теплоотводящего средства измеряется устройством 2 для измерения температуры. Энергия, которую необходимо отводить к теплоотводящему средству, составляет приблизительно 2%о от энергии, проходящей через электронный выключатель для цепи постоянного тока. Электронный выключатель для цепи постоянного тока требует отдельной платы для измерения и платы для управления в дополнение к водяному или воздушному теплоотводящему средству. Электронный выключатель для цепи постоянного тока имеет небольшую массу и объем, а также маленькую или небольшую стоимость. Электронный выключатель для цепи постоянного тока легко настраивать на различные токи, также легко настраивать предельные значения для включения и выключения выключателя. Настройка легко выполняется путем выбора IGBT транзистора и датчиков тока требуемых номиналов. Электронный выключатель для цепи постоянного тока обычно используется в силовых электронных преобразователях напряжения с распределенными конденсаторами цепи постоянного тока, в которых электронный выключатель для цепи постоянного тока управляет каждой отдельной батареей конденсаторов цепи постоянного тока на распределительной шине постоянного тока, то есть на одну батарею конденсаторов цепи постоянного тока приходится один электронный выключатель для цепи постоянного тока. Каждая отдельная батарея конденсаторов цепи постоянного тока обычно является частью отдельного силового электронного преобразователя, подключенного к этому конденсатору. Согласно настоящему изобретению электронный выключатель для цепи постоянного тока главным образом предназначен для использования на буровых установках с несколькими приводами с общим звеном постоянного тока. Настоящее изобретение также предназначено для использования в приводах на суднах. Привод подруливания и главный привод на общей распределительной шине постоянного тока соединены с электронным выключателем для цепи постоянного тока для защиты главного привода от отказов в приводе подруливания. Электронный выключатель для цепи постоянного тока также может применяться в промышленных установках, имеющих несколько приводов на общей распределительной шине постоянного тока с обеспечением бесперебойной работы остальных приводов в случае отказа одного из приводов (что эквивалентно указанному выше использованию на суднах). Таким образом, электронный выключатель для цепи постоянного тока на начальном этапе заряда соединяет распределенный конденсатор цепи постоянного тока со звеном постоянного тока, пропускает требуемый ток нагрузки и прерывает ток нагрузки, если он превышает установленные предельные значения. Электронный выключатель для цепи постоянного тока прерывает полный ток короткого замыкания без повреждений и необходимости замены каких-либо частей для возобновления работы. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Электронный прерыватель цепи постоянного тока, содержащий вход цепи постоянного тока (DCIn), соединенный с коллектором (С) биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), выход цепи постоянного тока (DC-Out), соединенный с эмиттером (Е) биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), и печатную плату (1), соединенную с затвором (G) указанного биполярного транзистора и с минусовой линией постоянного тока, причем печатная плата содержит преобразователи постоянного тока для преобразования высокого напряжения постоянного тока со входа цепи постоянного тока в требуемое для этой печатной платы напряжение и выполнена с возможностью контроля входного и выходного тока электронного прерывателя цепи постоянного тока для прерывания постоянного тока,когда контролируемый ток превышает заранее заданное значение. 2. Электронный прерыватель по п.1, в котором с печатной платой (1) соединены средства (3) передачи сигнала, выполненные с возможностью передачи команд управления в электронный прерыватель. 3. Электронный прерыватель по п.2, в котором средства (3) передачи сигнала являются оптоволоконными средствами. 4. Электронный прерыватель по п.2, в котором средства (3) передачи сигнала являются оптронными парами. 5. Электронный прерыватель по п.2, в котором средства (3) передачи сигнала имеют гальваническую развязку. 6. Электронный прерыватель по п.1, в котором с печатной платой (1) соединены средства (2) измерения температуры, предназначенные для измерения температуры теплоотводящего средства. 7. Электронный прерыватель по любому из пп.2-5, в котором указанные команды управления являются командой включения или командой выключения. 8. Электронный прерыватель по п.1, который выполнен с возможностью передачи большой мощности, например 1,5 МВт. 9. Электронный прерыватель по п.1, который выполнен с возможностью использования в установках большой мощности, например буровых установках, приводах на судах или промышленных установках. 10. Электронный прерыватель по п.1, который выполнен с возможностью управления одной батареей конденсаторов цепи постоянного тока на распределительной шине постоянного тока.