БИПОЛЯРНЫЙ АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ЦЕПИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРИ НИЗКОМ НАПРЯЖЕНИИ
BIPOLAR AUTOMATIC CIRCUIT BREAKER FOR USE AT LOW VOLTAGE

Настоящее изобретение относится к низковольтному биполярному автоматическому выключателю цепи и, в особенности, к биполярному автоматическому выключателю цепи, в котором оба полюса защищены от повреждений (то есть, без нейтрального полюса или фазы), и который выполняет множество функций, имеет компактную структуру и уменьшенное количество компонентов.
Предшествующий уровень техники
Низковольтные автоматические выключатели цепи являются электрическими устройствами известного типа. Они обычно используются в электрических системах (например, жилых, промышленных или коммерческих) для защиты электрических систем и обеспечения безопасности пользователей посредством автоматического размыкания самого выключателя с последующим прерыванием подачи электроэнергии в ответ на возникшие неисправности.
Типично эти повреждения являются короткими замыканиями, перегрузками и утечками на землю. Для того, чтобы обеспечить защиту от этих неисправностей, используется одно или более защитных устройств, способных различать нормальные рабочие ситуации и ситуации повреждения, обычно связанные с выключателем. Такие устройства обычно содержат привод, который, после обнаружения ситуации повреждения, вмешивается в работу кинематического механизма выключателя, вызывая его автоматическое отключение и размыкание контактов.
Защитными устройствами наиболее общего типа являются термомагнитные устройства, которые выполняют защиту от короткого замыкания и перегрузок, и дифференциальные устройства, которые выполняют токовую защиту от утечек на землю.
Один из недостатков, который иногда обнаруживается, происходит из того факта, что защитные устройства состоят, в некоторых применениях, из дополнительных модулей, связанных с выключателем, чтобы выполнять специфическую защитную функцию. На практике выключатель цепи и защитные устройства размещены в отдельных корпусах, имеющих заданную ширину модульного типа (один модуль DIN-стандарта равен 17,5 мм). Корпуса затем связываются и соединяются таким образом, чтобы получить требуемый тип защиты.
Это приводит к повышению затрат, потому что необходимо заранее располагать множество корпусов, пригодных для размещения различных устройств, а также соединительных и интерфейсных средств, для оперативного соединения с выключателем цепи, с вытекающими из этого трудозатратами во время монтажа.
Более того, даже когда устройства защиты и прерывающая часть расположены внутри одного корпуса, последняя обычно имеет относительно крупные размеры (например, ширина больше двух стандартных модулей), в особенности, когда оба полюса защищены и, поэтому, нет нейтрального полюса. Также необходимо отметить, что устройства защиты известного типа требуют специальных элементов для выполнения и специализированного механизма для соединения с кинематическим механизмом, с вытекающими из этого усложнениями при этапах конструировании и осуществления выключателя и связанных с ним устройств.
Как можно увидеть из приведенного выше описания, автоматические выключатели цепи известного типа имеют ряд недостатков, которые пытались преодолеть, но не полностью удовлетворительным способом.
Основная задача настоящего изобретения заключается в разработке создания низковольтного биполярного автоматического выключателя цепи, который позволяет преодолеть указанные выше недостатки.
Поставленная задача решена путем создания низковольтного биполярного автоматического выключателя, который содержит корпус, выполненный из изоляционного материала, содержащего
первый полюс, содержащий первый контакт и второй контакт, соединяемые/разъединяемые друг с другом, и первое устройство для защиты от коротких замыканий;
второй полюс, содержащий третий контакт и четвертый контакт, соединяемые/разъединяемые друг с другом, и второе устройство для защиты от коротких замыканий;
дифференциальное устройство защиты, связанное как с первым, так и со вторым полюсами, и пригодное для обнаружения дифференциального тока между упомянутым первым и вторым полюсами;
замыкающий/размыкающий кинематический механизм, оперативно соединенный с упомянутым первым и вторым полюсами для того, чтобы выполнять соединение/разъединение упомянутых первого и второго контактов и упомянутых третьего и четвертого контактов;
единое устройство защиты от перегрузки, связанное с упомянутыми первым и вторым полюсами, пригодное для вызывания расцепления упомянутого кинематического механизма и разъединения упомянутых первого и третьего контактов от упомянутых второго и четвертого контактов соответственно, при обнаружении неисправного состояния, вызванного перегрузкой.
Дополнительные характеристики и преимущества станут более понятны из описания некоторых предпочтительных, но не ограничивающих вариантов осуществления выключателя цепи согласно настоящему изобретению, проиллюстрированному с помощью примеров на сопроводительных чертежах, на которых:
фиг.1 - представляет собой общий вид биполярного автоматического выключателя цепи, согласно изобретению;
Фиг.2 - представляет собой вид сбоку выключателя цепи, согласно изобретению;
Фиг.3 - представляет собой схему выключателя цепи из фиг.1, согласно изобретению;
Фиг.4 - представляет собой первый вид сбоку некоторых деталей выключателя цепи из фиг.1, согласно изобретению;
Фиг.5 - представляет собой второй вид сбоку некоторых деталей выключателя цепи из фиг.1, согласно изобретению;
Фиг.6, 7 и 8 представляют собой изображения, показывающие первую рабочую последовательность биполярного автоматического выключателя цепи, согласно настоящему изобретению;
Фиг.9 и 10 представляют собой изображения, показывающие вторую рабочую последовательность биполярного автоматического выключателя цепи, согласно настоящему изобретению;
Фиг.11 представляет собой общий вид части выключателя цепи из фиг.1, согласно изобретению.
Со ссылкой на прилагаемые чертежи, низковольтный биполярный автоматический выключатель 1 цепи, согласно настоящему изобретению содержит корпус 10, выполненный из электрически изоляционного материала, который включает в себя первый полюс 20 и второй полюс 30, которые защищены от неисправных состояний согласно результату, который будет получен из приведенного ниже описания. Задняя часть 11 корпуса 10 имеет соответствующую форму и представляет собой средство для зацепления с проводником DIN-стандарта.
Корпус 10 выполнен с возможностью кабельной разводки посредством вставления соответствующих кабелей или стержней в соответствующие клеммы. Кроме того, передняя часть корпуса 10 используется для соединения с крышкой (не показана), для полного закрытия самого выключателя.
Первый полюс 20 содержит первый контакт 21 и второй контакт 22, которые соединяются/отсоединяются друг от друга, в то время как второй полюс 30 содержит третий контакт 31 и четвертый контакт (не показан на чертеже, но полностью эквивалентен второму стационарному контакту 22), которые соединяются/отсоединяются друг от друга. Второй контакт 22 и четвертый контакт являются стационарными контактами, в то время как контакты 21 и 31 имеют возможность перемещения между положением размыкания, в котором они отсоединены от соответствующих стационарных контактов, и положением замыкания, в котором они соединены с упомянутыми стационарными контактами.
Автоматический выключатель цепи дополнительно содержит замыкающий/размыкающий кинематический механизм 40, который соединен с упомянутыми первым и вторым полюсами 20, 30, чтобы осуществлять соединение/отсоединение упомянутых первого и второго контактов 21, 22 и упомянутых третьего контакта 31 и четвертого контакта. На практике замыкающий/размыкающий кинематический механизм 40 содержит рычаги, которые передают перемещение ручки 42, управляемой пользователем, на контакты, для осуществления замыкающего или размыкающего действия автоматического выключателя цепи; кроме того, упомянутые рычаги осуществляют размыкание контактов в случае неисправной ситуации в электрической системе, связанной с автоматическим выключателем 1 цепи. С этой целью замыкающий/размыкающий кинематический механизм 40 предпочтительно содержит средство для удерживания подвижного контакта в замкнутом положении и средство для освобождения кинематического механизма, позволяющее автоматическое размыкание автоматического выключателя цепи 1. Согласно одному варианту осуществления замыкающий/размыкающий кинематический механизм 40 содержит, по меньшей мере, одну пару рычагов, например, зацепляющий рычаг 43 и расцепляющий рычаг 41, которые при зацеплении друг с другом удерживают контакты в замкнутом положении. В случае неисправности расцепляющий рычаг 41 отцепляется от зацепляющего рычага 43 посредством вращения вокруг центра 418, освобождая кинематический механизм и позволяя осуществлению операции автоматического размыкания согласно процессу, который будет подробно описан ниже.
Автоматический выключатель цепи согласно изобретению фактически является пригодным для обеспечения защиты электрических систем (например, жилых, промышленных или коммерческих) и безопасности пользователей посредством размыкания самого автоматического выключателя цепи с последующим прекращением подачи электроэнергии в ответ на первую, вторую и третью ситуации неисправности. Такими типичными ситуациями неисправности являются короткие замыкания, перегрузки и утечки на землю соответственно.
Для этой цели, как первый полюс 20, так и второй полюс 30 автоматического выключателя 1 цепи соответственно содержат первое устройство 50 защиты от короткого замыкания и второе устройство 55 защиты от короткого замыкания.
Такие устройства 50 и 55 защиты от короткого замыкания являются устройствами хорошо известного типа и обычно содержат магнитный привод, состоящий из катушки, подвижного сердечника, стационарного сердечника, ножа или, в большинстве случаев, штыря и пружины, которые осуществляют защиту от коротких замыканий.
Автоматический выключатель 1 цепи дополнительно содержит дифференциальное устройство 70 защиты, которое связано с обоими полюсами 20 и 30, устройство 70 защиты, которое также является устройством хорошо известного типа и, поэтому, не описано подробно, является обычно дифференциальным приводом, который осуществляет защиту от токов утечки на землю и обычно состоит из реле и тороидального сердечника. Дифференциальное устройство 70 защиты обнаруживает токи утечки на землю, как несимметрию между токами двух полюсов или фаз 20 и 30. На практике, когда разница абсолютной величины между токами, циркулирующими в упомянутых первом и втором полюсах 20 и 30, превышает заданную пороговую величину, устройство 70 запускает освобождение кинематического механизма 40 и, следовательно, отсоединение подвижных контактов от соответствующих стационарных контактов.
Автоматический биполярный выключатель 1 цепи преимущественно содержит одно уникальное устройство 60 защиты от перегрузки, которое связано с первым полюсом 20 и пригодно для вызывания расцепления кинематического механизма 40 и отсоединения упомянутых первого и третьего контактов 21, 31 от упомянутых второго контакта 22 и четвертого контактов соответственно после обнаружения неисправного состояния, вызванного перегрузкой.
В свою очередь, устройства 50 и 55 защиты пригодны для вызывания освобождения упомянутого кинематического механизма 40 и размыкания упомянутых первого и второго контактов 21, 22 и упомянутого третьего контакта 31 и четвертого контакта после возникновения неисправности, вызванной коротким замыканием в электрической системе, связанной с выключателем 1 цепи.
Предпочтительно, если устройство 60 защиты от перегрузки состоит из теплового привода, который содержит биметалл. Первое устройство 50 защиты от короткого замыкания и устройство 60 защиты от перегрузки обычно объединены друг с другом и составляют термомагнитное устройство. Более того, следует отметить, что в то время как устройство 60 защиты откалибровано таким образом, чтобы осуществлять вмешательство, когда существуют не очень высокие перегрузки, которая не особенно высока, которые присутствуют длительное время, устройства 50 и 55, в дополнение к вмешательству при неисправностях, вызванных короткими замыканиями, также могут осуществлять вмешательство при наличии перегрузок большей интенсивности, которые появляются на очень короткое время.
Более того, автоматический выключатель 1 цепи согласно изобретению содержит соединительное средство для присоединения замыкающего/размыкающего кинематического механизма 40 с различными устройствами 50, 55, 60 и 70 защиты. ПО существу и в отличие от выключателей цепи известного типа в выключателе цепи согласно изобретению механические импульсы различных устройств 50, 55, 60 и 70 защиты передаются освобождаемому кинематическому механизму через один механизм, упрощающий структуру автоматического выключателя цепи по сравнению с обычными решениями, которые требуют специальных механизмов для каждого защитного устройства.
Ниже со ссылкой на фиг.6-10 будут описаны некоторые конфигурации для осуществления операции автоматического отключения в автоматическом выключателе цепи согласно изобретению.
Как упоминалось выше, вариант осуществления замыкающего/размыкающего кинематического механизма 40 обычно содержит первый расцепляющий рычаг 41 для освобождения кинематического механизма 40 посредством расцепления третьего зацепляющего рычага 43, позволяющего автоматическое размыкание контактов двух полюсов 20 и 30. Соединительное средство содержит, например, первый расцепляющий вал 81, который присоединяет упомянутый зацепляющий/расцепляющий кинематический механизм 40 к упомянутым первому и второму устройствам 50 и 55 защиты от короткого замыкания, к устройству 60 защиты от перегрузки и к дифференциальному устройству 70 защиты. Согласно этому варианту осуществления соединительное средство дополнительно содержит второй, осуществляющий вмешательство, рычаг 82, который присоединяет замыкающий/размыкающий кинематический механизм 40 с устройством 70 защиты. Первый расцепляющий вал 81 и второй, осуществляющий вмешательство, рычаг 82 оперативно соединены с упомянутым первым расцепляющим рычагом 41. Другими словами, соединительное средство составляет единый механический интерфейс, например, через первый расцепляющий вал 81 и второй, осуществляющий вмешательство, рычаг 82, через которые механический импульс, производимый различными устройствами 50, 55, 60, 70 защиты при наличии соответствующей неисправной ситуации, передается к замыкающему/размыкающему кинематическому механизму 40, воздействуя, например, на расцепляющий рычаг 41.
Со ссылкой на фиг.6 и 9, в ситуации замкнутого автоматического выключателя цепи и при отсутствии неисправных состояний, замыкающий/размыкающий кинематический механизм 40 удерживается заблокированным в замкнутом положении для взаимодействия третьего зацепляющего рычага 43 с первым расцепляющим рычагом 41. Согласно этому варианту осуществления один конец рычага 43 входит в зацепление посредством подходящего выступа с телом рычага 41, что препятствует вращению рычага 41 против часовой стрелки (и освобождению в результате этого выключателя сети).
Операция автоматического отключения в случае неисправности, вызванной коротким замыканием, показана со ссылкой на фиг.6 и 7. Первое устройство 50 защиты и второе устройство 55 защиты каждое содержит нож 501, соединенный с подвижным сердечником. Часть ножа 501, при нормальных условиях (фиг.6), расположена вблизи первого удлинителя 810 первого расцепляющего вала 81.
В случае неисправности, вызванной коротким замыканием, устройство 50 или 55 защиты втягивает внутрь подвижный сердечник и, следовательно, перемещает связанный с ним нож 501 (фиг.7, где показано перемещение ножа 501 направо). Из-за этого перемещения нож 501 воздействует на первый удлинитель 810 вала 81, который поворачивается по часовой стрелке вокруг своего собственного центра вращения 815 (фиг. 6). Вал 81 имеет второй удлинитель 811, выполненный с ним как единое целое и имеющий подходящую форму. Из-за вращения вала 81 второй удлинитель 811 взаимодействует с первым расцепляющим рычагом 41, вызывая вращение против часовой стрелки вокруг своего собственного центра вращения 418. Как следствие, расцепляющий рычаг 41 расцепляется от третьего зацепляющего рычага 43, позволяя перемещение и разблокировку замыкающего/размыкающего кинематического механизма 40, который защелкивается в разомкнутое положение, отделяя подвижные контакты 21 и 31 от соответствующих стационарных контактов.
На фиг.6 и 8 показана операция автоматического размыкания в случае неисправности, вызванной перегрузками по току. Как отмечалось ранее, устройство 60 защиты содержит биметаллическую тонкую пластину, пригодную для изгибания из-за перегрузок по току в цепи. Часть тонкой пластины 60, при нормальных условиях, расположена (фиг.6) вблизи третьего удлинителя 812 первого расцепляющего вала 81.
В случае неисправности, вызванной перегрузкой, устройство 60 защиты осуществляет вмешательство посредством сгибания биметаллической тонкой пластины (фиг.8, которая показывает перемещение вниз тонкой пластины 60). В результате этого перемещения тонкая пластина 60 воздействует на удлинитель 812 вала 81, который вращается по часовой стрелке вокруг своего собственного центра вращения 815. В результате этого вращения второй удлинитель 811 вала 81 взаимодействует с первым расцепляющим рычагом 41, вызывая вращение и автоматическое расцепление контактов, как было описано ранее.
На фиг.9 и 10 показана операция автоматического отключения в случае неисправности, вызванной утечкой на землю. Третье устройство 70 защиты содержит поршень 701, используемый для скольжения вследствие утечки на землю тока и, следовательно, асимметрии токов между проводниками, связанными с двумя полюсами или фазами 20 и 30. Один конец поршня 701, при нормальных условиях (фиг.9), расположен вблизи плеча 822 второго, аварийного (отключающего) рычага 82. Осуществляющий отключение рычаг 82 соответствующим образом шарнирно установлен с возможностью поворота на оси 820, может вращаться относительно нее, и удерживается в неработающем положении посредством пружин. Второй, отключающий рычаг 82, дополнительно имеет соединительное средство 821 с первым расцепляющим рычагом 41. В случае, показанном на прилагаемых чертежах, средство аварийного отключения состоит из выступа 821, для взаимодействия с частью 410 расцепляющего рычага 41.
В случае неисправности, вызванной утечкой на землю, то есть, когда абсолютное значение разницы между токами, циркулирующими в двух полюсах больше, чем заданное пороговое значение, устройство 70 защиты вызывает перемещение поршня 701 по направлению к внешней стороне реле (фиг.10, которая показывает перемещение поршня 701 направо). Из-за этого перемещения поршень 701 воздействует на плечо 822 рычага 82, который поворачивается против часовой стрелки вокруг своего собственного центра вращения 820. В результате этого вращения выступ 821 рычага 82 взаимодействует с частью 410 первого расцепляющего рычага 41, вызывая вращение против часовой стрелки и автоматическое расцепление контактов, как было описано ранее.
В дополнение к существенным упрощениям с механической точки зрения, выключатель цепи согласно изобретению может быть выполнен очень компактным посредством подходящего размещения различных компонентов внутри корпуса 10.
Например, как показано на фиг.3 и на фиг.11, первый полюс 20 и второй полюс 30 удобно расположены симметричным образом слева и справа от продольной оси 100 выключателя 1 цепи. Замыкающий/размыкающий кинематический механизм 40 поэтому, может быть преимущественно центрирован относительно упомянутых первого и второго полюсов 20, 30.
В особенности, в первом полюсе 20 устройство 50 защиты и устройство 60 защиты перекрываются и расположены вдоль замыкающего/размыкающего кинематического механизма 40. Более подробно, устройства 50 и 60 для термомагнитной защиты обычно объединены в одном корпусе (и по этой причине показаны в виде одного функционального блока на фиг.3) и расположены у полюса 20 спереди относительно вида спереди автоматического выключателя 1 цепи. Устройство 55 защиты, в свою очередь, расположено вдоль замыкающего/размыкающего кинематического механизма 40 на стороне, расположенной напротив устройства 50 защиты. Устройство 70 защиты расположено перпендикулярно поперек относительно упомянутой продольной оси 100 и прилегает к упомянутому замыкающему/размыкающему устройству 40 и, таким образом, расположено относительно вида спереди выключателя цепи ниже, чем устройства 50, 55, 60 защиты и кинематического механизма 40.
Получающаяся в результате конструкция чрезвычайно рациональна и компактна. Фактически размещение компонентов внутри корпуса 10 по существу симметрично и позволяет оптимизировать использование пространства внутри самого корпуса. Следовательно, можно не увеличивать размеры выключателя цепи; в особенности, получается, что ширина равна двум модулям DIN-стандарта (35 мм), что является существенным преимуществом с точки зрения модульности.
На основе вышеописанного можно увидеть, что выключатель 1 цепи достигает своей заданной цели, позволяя осуществлять большое количество функций с уменьшенным количеством компонентов и уменьшенными затратами.
Фактически, биполярный автоматический выключатель 1 цепи имеет оба полюса 20 и 30, защищенными от неисправностей, и защита от перегрузок достигается в нем посредством использования одного биметалла, в отличие от того, что известно в данной области техники, где каждый полюс там, где он защищен (и который, поэтому, не является нейтральным полюсом), обеспечивает специальное использование биметалла. Более того, автоматический выключатель 1 цепи, благодаря своей структуре и функциональности, позволяет существенно упростить выполнение механизмов и соединений между различными его компонентами. Другими словами, в отличие от выключателей цепей известных выключателей, соединительное средство, посредством единого механизма, позволяет соединять устройства защиты с освобождающим кинематическим механизмом выключателя цепи, дополнительно уменьшая количество механических компонентов, оптимизируя пространство, заполняемое внутри корпуса и, в тоже время, обеспечивая полный спектр защиты (магнитный, тепловой, дифференциальный) на обоих полюсах.
Более того, использование одного соединительного механизма между устройствами защиты и замыкающим/размыкающим механизмом позволяет снизить стоимость производства.
Необходимо также отметить, что в устройстве согласно изобретению возможно объединение большого числа функций в одном корпусе, что приводит к экономии с точки зрения осуществления и монтажа. Более того, размеры корпуса, благодаря чрезвычайно компактному и рациональному размещению компонентов внутри него, не увеличиваются. Возможно, в частности, выполнить выключатель цепи с шириной, равной двум модулям DIN-стандарта и с обоими защищенными полюсами, с существенными преимуществами с точки зрения модульности и рациональности монтажа.
На основе приведенного описания другие характеристики, модификации или улучшения возможны и очевидны для специалистов в данной области техники. Такие характеристики, модификации и улучшения, следовательно, должны рассматриваться как часть настоящего изобретения. На практике используемые материалы, а также размеры и возможные формы могут изменяться согласно требованиям и состоянию данной области техники.