ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ АВТОМАТИЧЕСКИЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА БЕЗ МЕХАНИЗМА СВОБОДНОГО РАСЦЕПЛЕНИЯ
AUTOMATIC HIGH-SPEED DC CIRCUIT BREAKER WITHOUT TRIP-FREE RELEASE MECHANISM

Изобретение относится к электротехнике, в частности к защитной коммутационной аппаратуре, и предназначено для защиты электрических установок от токов короткого замыкания и недопустимых перегрузок.
В состав выключателя автоматического быстродействующего постоянного тока должен входить механизм свободного расцепления или другой механизм, выполняющий его функции, для того чтобы обеспечить требуемое быстродействие при включении выключателя в цепи, в которой существует короткое замыкание. Суть работы механизма свободного расцепления состоит в следующем.
Как правило, простейший выключатель автоматический быстродействующий устроен, как показано на фиг.1. Выключатель автоматический быстродействующий содержит в своем составе токоведущую цепь 1, контактную систему 2, электромагнит 3 и датчик тока 4, что поясняется фигурой 1. При включении выключателя в катушку электромагнита 3 подается включающий ток, и электромагнит, срабатывая, замыкает контактную систему 2. При протекании по катушке электромагнита включающего тока, который в несколько раз превышает ток удержания, что обеспечивает максимальное усилие при включении. После замыкания контактной системы 2 ток в катушке электромагнита 3 снижается до тока удержания, что обеспечивает минимальное потребление тока управления. При появлении в цепи контактной системы тока короткого замыкания происходит фиксирование аварии датчиком тока и отключение тока удержания в катушке электромагнита. При этом происходит очень быстрое спадание тока в катушке, снижение магнитного потока в магнитопроводе и отпускание якоря электромагнита, и соответственно, размыкание контактной системы.
При включении выключателя автоматического быстродействующего на короткое замыкание, или при возникновении короткого замыкания в защищаемой цепи в момент включения, ток в катушке электромагнита будет очень большим. Из-за насыщенного магнитного состояния магнитопровода спадание тока в катушке и размагничивание магнитопровода будет происходить очень продолжительное время, что может привести к сильному повышению тока короткого замыкания в защищаемой цепи и к серьезной аварии. Для предотвращения этого в конструкцию автоматического выключателя вводится механизм свободного расцепления, который предотвращает замыкание контактной системы до того момента, пока ток в катушке электромагнита не упадет до удерживающего. Введение механизма свободного расцепления сильно усложняет механизм выключателя автоматического быстродействующего.
В настоящее время известны конструкции выключателей автоматических быстродействующих постоянного тока, не содержащих в своем составе механизма свободного расцепления.
Описания вышеупомянутых выключателей приведены в следующих источниках:
1. Быстродействующий автоматический выключатель с устройством управления тока катушки: пат. на полезную модель №77103 РФ: RU 77103 U1 Н01Н 33/28 / Мурадов Э.Ш., Никифоров В.А.; заявитель и патентообладатель ООО «Технос». - №2008119748; заявл. 19.05.2008 г.
2. Быстродействующий автоматический выключатель с датчиком скорости перемещения якоря и устройством управления тока катушки электромагнита: пат. на полезную модель №78604 РФ: RU 78604 U1 Н01Н 33/28 / Мурадов Э.Ш., Никифоров В.А.; заявитель и патентообладатель ООО «Технос». - 2008124868; заявл. 17.06.2008 г.
Описанный в первом источнике быстродействующий автоматический выключатель дополнительно к вышеописанному быстродействующему выключателю содержит в своем составе устройство управления током, которое при включении подает на катушку постоянную и переменную составляющие напряжения. Постоянная составляющая напряжения формирует в катушке включающий постоянный ток, а переменная составляющая - соответствующий переменный ток. Соотношение между переменными током и переменным напряжением зависит от индуктивности катушки электромагнита, которая в свою очередь зависит от состояния магнитного насыщения магнитопровода. Устройство управления током постоянно отслеживает соотношение электрических величин и при переходе в магнитное насыщение магнитопровода мгновенно снижает постоянную составляющую тока до величины, при которой магнитопровод выходит из насыщения. При таком алгоритме управления во время включения и после замыкания контактного узла не происходит магнитного насыщения магнитопровода электромагнита, что дает возможность в любой момент оборвать ток электромагнита, и при этом будет обеспечено быстродействие отключения.
Описанный во втором источнике быстродействующий автоматический выключатель без свободного расцепления дополнительно содержит устройство измерения скорости якоря электромагнита. При включении, при превышении скорости якоря электромагнита более заданной, снижается ток катушки электромагнита до того момента, пока скорость якоря не снизится до нормированной величины. При правильном выборе параметров ток в процессе включения должен постоянно снижаться, и при замыкании контактной системы ток электромагнита должен снизится до удерживающего.
Недостатком известных выключателей автоматических быстродействующих постоянного тока являются достаточно сложные электронные системы автоматического управления, которые могут быть реализованы на микропроцессорной системе управления с соответствующей управляющей программой, либо сложным построением логической схемы. Как следствие сложной схемы является ее ненадежность.
Изобретение решает задачу создания простого по конструкции и надежного выключателя автоматического быстродействующего постоянного тока без механизма свободного расцепления с нормированным быстродействием во всех режимах отключения токов короткого замыкания.
Технический результат, который создается изобретением, состоит в упрощении, повышении надежности и удешевлении выключателя автоматического быстродействующего постоянного тока без свободного расцепления.
Сущность изобретения заключается в применении вместо электромагнита постоянного тока электромагнита переменного тока. При этом для питания электромагнита, то есть для получения переменного тока из постоянного, вместо сложных электронных систем управления достаточно применить простой по схемному решению автогенератор или мультивибратор. Электромагнит переменного тока при включении будет снижать потребляемый ток автоматически, так как при уменьшении зазора в магнитной цепи катушка электромагнита переменного тока будет увеличивать индуктивность, и соответственно, увеличивать индуктивное сопротивление. При подаче переменного напряжения ток в катушке будет большим, что вызовет начало включения, а при смыкании электромагнита - ток упадет до тока удержания, при правильном подборе всех электрических величин.
Изобретение поясняется примером выполнения выключателя автоматического быстродействующего постоянного тока без свободного расцепления. На фиг.2 показан патентуемый выключатель в отключенном положении; на фиг.3 - то же, в процессе включения; на фиг.4 - то же, во включенном положении.
Выключатель автоматический быстродействующий, изображенный на фиг.2, содержит токоведущую цепь 1, контактную систему 2, электромагнит переменного тока 3, датчик тока 4 и преобразователь постоянного тока в переменный 5.
Работа выключателя осуществляется следующим образом.
При подаче питающего постоянного напряжения на преобразователь 5 на катушку электромагнита переменного тока 3 выдается переменное напряжение. Ввиду того, что воздушный зазор в электромагните переменного тока 3 достаточно большой, индуктивность катушки небольшая, и соответственно, индуктивное сопротивление катушки невысокое. Ток в катушке возрастает до тока, при котором якорь приходит в движение и начинается процесс включения, что показано на фиг.3. В процессе включения воздушный зазор электромагнита переменного тока 3 постоянно уменьшается, при этом увеличивается индуктивность катушки и повышается индуктивное сопротивление. Повышения сопротивления приводит к постоянному снижению тока в катушке, что показано на фиг.4. В конечный момент времени воздушный зазор в электромагните переменного тока 3 исчезает, контактная система 2 замыкается. Через токоведущую цепь 1 и датчик тока 4 начинает протекать ток защищаемой цепи. Ввиду того, что величина переменного тока снижается при включении, соответственно будет снижаться и величина потребляемого постоянного тока до преобразователя 5. При возникновении в защищаемой цепи тока короткого замыкания, даже в момент замыкания контактной системы 2, происходит фиксирование аварии датчиком тока 4 и отключение тока удержания в катушке электромагнита переменного тока 5. То есть при замкнутом положении контактной системы обеспечивается протекание тока защищаемой цепи через токоведущую цепь и датчик тока, обеспечивающий отключение тока удержания в катушке электромагнита переменного тока при возникновении тока короткого замыкания в защищаемой цепи, что приводит к быстрому размыканию контактной системы и отключению тока короткого замыкания.
Таким образом, за счет изменения электромагнита постоянного тока на электромагнит переменного тока и применения для его питания преобразователя тока из постоянного в переменный удалось создать выключатель автоматический быстродействующий постоянного тока без свободного расцепления и без применения сложных электронных систем управления.