Термоэлектрический размыкатель
THERMOELECTRIC CIRCUIT BREAKER

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к термоэлектрическим переключателям, предназначенным для коммутации цепей энергоемких электрических компонентов (силовых электронных элементов и приборов, источников питания, однофазных электродвигателей и т.п.) в различных эксплуатационных условиях и режимах, например, при превышении температуры окружающей среды над предельной температурой эксплуатации компонента или при управлении компонента внешним электрическим сигналом.
Термоэлектрический переключатель (термопереключатель) представляет собой коммутационное устройство, выполненное с использованием легкоплавкого сплава, который оплавляется (размягчается) при нагреве до определенной температуры, осуществляя коммутацию цепи непосредственно или с помощью вспомогательных элементов, и не восстанавливается (не возвращается в исходное состояние) после срабатывания. Поэтому их часто называют термопереключателями одноразового действия.
Термопереключатели просты по конструкции (в отличие от тепловых реле) и имеют большое разнообразие типов и исполнений в зависимости от вида управляемого компонента, условий и режимов их эксплуатации.
«Термопереключатель», является общим термином, но чаще всего используется для коммутационных устройств, предназначенных для переключения цепей и содержащих переключающий или замыкающий и размыкающий контакты. Термопереключатели, предназначенные только для замыкания цепей, именуют часто термоэлектрическими замыкателями, а термопереключатели для размыкания цепи - термоэлектрическими размыкателями или термопредохранителями.
Термоэлектрические коммутационные устройства разных типов (по виду коммутации) содержат общие конструктивные элементы для всех типов (корпус, выводы, легкоплавкий сплав, схватывающий две детали или как конструктивный элемент, именуемый термоэлементом) и общие конструктивные элементы для нескольких типов и исполнений (контакты, подвижное звено, несущее подвижный контактный элемент, пружина, приводящая в движение подвижное звено, контактная пружина, нагреватель и т.п.). Поэтому особенности конструктивных исполнений общих элементов, их размещения, способа изготовления и т.п. одного типа термоэлектрического устройства характеризуют также уровень техники термоэлектрического устройства другого типа.
Известен переключатель одноразового действия (с переключающим контактом) [1], содержащий корпус, первый, второй и третий неподвижные цилиндрические контактные элементы, соединенные с выводами, подвижный цилиндрический контактный элемент, размещенный с возможностью перемещения внутри неподвижных контактных элементов на штоке (подвижном звене) из изоляционного материала, нагреватель резистивный в виде цилиндрической обмотки, установленной с помощью изоляционной втулки на неподвижных контактных элементах, и пружину. В исходном состоянии подвижный контактный элемент соединен с первым и вторым неподвижными контактными элементами пайкой из легкоплавкого сплава, образуя размыкающий контакт. При подаче напряжения на обмотку нагревателя пайка расплавляется и подвижный контактный элемент под воздействием пружины перемещается, перемыкая второй и третий неподвижные контактные элементы. После отключения обмотки, припой остывает, жестко фиксируя соединение этих контактных элементов, образуя замыкающий контакт.
Недостатком такого переключателя является большой габарит корпуса в радиальном направлении вследствие размещения подвижного контактного элемента, неподвижного контактного элемента, изоляционной втулки и обмотки нагревателя последовательно друг под другом, при этом внутренний диаметр неподвижных контактных элементов должен быть не менее диаметра приводной пружины. К недостаткам переключателя также следует отнести:
- инерционность переключения, которая определяется повышенным временем нагревания металлических частей, составляющих значительную массу переключателя, до температуры расплавления пайки;
- низкая стабильность времени срабатывания из-за дополнительного нагрева пайки пропускаемым током нагрузки, величина которой может изменятся от нуля до токов короткого замыкания.
Повышенное время срабатывания переключателя и его низкая стабильность, в свою очередь, снижают надежность защиты сильноточного компонента.
Известны переключатели с размыкающим и замыкающим контактами [2, 3], содержащие мостиковые контакты, подвижные мостики которых установлены на изоляционной траверсе, приводной и неподвижный цилиндрические сердечники, соединенные пайкой из легкоплавкого сплава, резистивный нагреватель, состоящий из обмотки и изоляционной втулки, фиксированной на неподвижном сердечнике, и пружину переключения, размещенную внутри подвижного сердечника. При включении обмотки нагревателя пайка, схватывающая неподвижный и подвижный сердечники, расплавляется, и подвижный сердечник с траверсой с контактными мостиками приходят в движение, осуществляя коммутацию цепей. Вследствие использования мостиковых контактов, изолированных от приводной части конструкции, обеспечивается надежная коммутация и исключается упомянутое отрицательное влияние тока нагрузки на процесс работы переключателей.
К недостаткам переключателей [2, 3] относятся большие габаритные размеры и низкое быстродействие по причине выполнения приводной части, как и в переключателе [1], в виде "слоеной" конструкции, состоящей из пружины, двух сердечников, изоляционной втулки, обмотки нагревателя и наружной изоляции, и большая инерционность нагрева (низкое быстродействие).
Общим недостатком известных переключателей [1, 2, 3] является сложность конструктивного выполнения выводов, предназначенных для присоединения внешних проводников, и способа крепления корпуса при эксплуатации. Масса и размеры выводов могут составить значительную часть массы и габаритных размеров переключателя. При больших номинальных токах переключателя (50 А и более) обеспечение технологичности конструкции выводов и их крепления в корпусе может являться основной проблемой внедрения переключателя в производство.
Наиболее близким техническим решением по основным конструктивным признакам (типу контакта, составу, виду выполнения и взаимному размещению основных конструктивных элементов) к предлагаемому устройству (прототипом) является термопредохранитель (термоэлектрический размыкатель) [4], который предназначен для защиты электрооборудования и компонентов на номинальные токи до 10 А от повреждения при перегреве их выше допустимой рабочей температуры. Прототип содержит корпус, два вывода, термоэлемент, размыкающий контакт, подвижное звено, несущее подвижный контакт элемент, контактную и размыкающую (приводную) пружины. Корпус выполнен в виде цилиндрической токопроводящей гильзы, закрытой с одного торца изоляционной втулкой. Выводы закреплены жестко по торцам корпуса. Несущее контактный элемент подвижное звено выполнено в виде токопроводящего диска с отогнутыми краями, фиксирующими его внутри гильзы корпуса, с возможностью перемещения, и прижато контактной пружиной к торцу вывода с неподвижным контактным элементом, закрепленного в изоляционной втулке. При этом контактная пружина упирается другим концом на термоэлемент, представляющий собой легкоплавкий сплав, которым заполняется часть внутреннего объема гильзы.
Особенностью такой конструкции является размещение основных элементов конструкции (выводов, подвижного звена, термоэлемента, контактной и приводной пружин) последовательно друг за другом вдоль продольной оси конструкции, т.е. в одной плоскости, что позволяет предельно уменьшить габаритный размер по диаметру.
Работа прототипа заключается в следующем. При нагреве от повышенной температуры окружающей среды термоэлемент расплавляется и контактная пружина уходит внутрь него, а подвижное звено, несущее подвижный контактный элемент, под воздействием приводной пружины приходит в движение, размыкая цепь защищаемого компонента. После остывания легкоплавкого сплава контактная пружина остается в разжатом состоянии и сохраняется разомкнутое состояние контакта.
Недостатком прототипа является низкая коммутационная способность, определяемая способностью длительно пропускать небольшие токи (10-15 А) и коммутировать только активные нагрузки, которые обусловлены конструктивными особенностями и порядком работы:
- в замкнутом состоянии ток нагрузки проходит через пять контактных переходов, контактную пружину, выполняемую как правило, из стали с высоким электрическим сопротивлением, и легкоплавкий сплав, поэтому внутри самого размыкателя выделяется большая мощность, которая может привести к перегреву конструктивных элементов без значительного увеличения габаритов;
- в процессе работы (срабатывания) подвижный контактный элемент перемещается при расплавлении термоэлемента за время несколько десятков секунд и близ граничных значений температуры размягчения возможно замедленное погружение контактной пружины внутрь термоэлемента, поэтому электрическая дуга, возникающая при индуктивной нагрузке между медленно расходящимися контактными элементами, может привести к их свариванию, приводя к отказу работы размыкателя.
Таким образом, технические решения прототипа не позволяют реализовать технологичную конструкцию размыкателя на большие номинальные токи (50 А и более), способного коммутировать индуктивные нагрузки.
Задачей изобретения является создание малогабаритного термоэлектрического размыкателя простой конструкции с повышенной коммутационной способностью, предназначенного для одноразового размыкания сильноточных цепей с индуктивными нагрузками.
Техническим результатом является повышенное быстродействие при одновременной оптимизации конструкции.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в термоэлектрическом размыкателе, содержащем корпус, два вывода, термоэлемент, размыкающий контакт, подвижный контактный элемент которого установлен на подвижном звене, контактную и отключающую пружины, подвижное звено выполнено в виде металлического стержня с размещенным на нем, последовательно по длине, подвижным контактным элементом мостикового типа, контактной и размыкающей пружинами, и с упирающимся одним торцом на термоэлемент, который, в свою очередь, выполнен в виде, например, цилиндра из легкоплавкого сплава с установленным на нем резистивным нагревателем, состоящим из обмотки с внешним подключением и изоляционного каркаса, при этом стержень и нагреватель фиксированы по центру вдоль длины плоского корпуса из изоляционного материала, состоящего из двух половин, а вывода, выполненные плоскими - на боковых сторонах корпуса.
Технический результат - повышенное быстродействие при одновременной оптимизации конструкции в части выполнения плоской, с оптимизированной высотой (габаритным размером относительно установочной плоскости), и, заключаются в следующем:
- основные конструктивные элементы - контактный мостик, стержень, контактная и отключающая пружины и термоэлемент с нагревателем, размещены вдоль продольной оси корпуса последовательно и высота размыкателя определяется практически минимизированным по размеру диаметром пружин и толщиной стенок корпуса; корпус, состоящий из двух половин, и выводы выполнены плоскими, при этом выводы служат одновременно для крепления размыкателя при эксплуатации;
- конструкция содержит минимальное количество деталей, которые просты и легко собираются (без специальных технологий);
- легкоплавкий сплав термоэлемента расплавляется установленным непосредственно на нем резистивным нагревателем за секунды, и упирающийся на него стержень с контактным мостиком общим усилием сжатых контактной и отключающей пружин, значение которого при больших токах составляет около десяти ньютон, практически мгновенно переходит в другое состояние, размыкая электрическую цепь с индуктивной нагрузкой без затягивания дуги. Контакт, выполненный в виде мостика, исключает прохождение тока нагрузки через элементы конструкции и их нагрев, сечение токопроводящих частей не влияет на габариты размыкателя и допускает пропускание больших токов (50 А и более). Большой ход стержня и контактного мостика позволяет увеличить раствор контактов и повысить коммутационную способность размыкателя.
Указанная совокупность признаков позволяет создать простой малогабаритный термоэлектрический размыкатель с повышенной коммутационной способностью.
На фиг. 1 показан общий вид заявляемого термоэлектрического размыкателя (без одной половины корпуса); на фиг. 2 - разрез А-А.
Термоэлектрический размыкатель содержит корпус 1, состоящий и половин 1а и 16, плоские выводы 2 и 3 с отверстиями для присоединения к внешним проводникам (к шинам, к клеммным колодкам силовых компонентов и т.п.), фиксированные на боковых сторонах корпуса между его половин 1а и 16, термоэлемент 4, выполненный, например, в виде цилиндра из легкоплавкого сплава, мостика 5, образующего с выступами выводов 2 и 3 размыкающий контакт мостикового типа, контактную пружину 6, отключающую пружину 7, металлический стержень 8, опирающийся под действием пружин 6 и 7 на торец термоэлемента 4, резистивный нагреватель, представляющий обмотку 9, которая изолирована от термоэлемента 4 втулкой 10 из термостойкого материала. Сжатое состояние пружин 6 и 7 обеспечивается с помощью стопорных шайб 11.
Работа размыкателя заключается в следующем. В исходном состоянии (в нормальном длительном режиме работы) контакт замкнут под действием контактной пружины 6, сжатой за счет упора стержня 8 в торец термоэлемента 4. При подаче напряжения на обмотку 9 резистивного нагревателя термоэлемент 4 расплавляется и стержень 8, несущий подвижный мостик 5, приходит в движение под действием сил пружин 6 и 7, выталкивая расплавленный сплав изнутри нагревателя и одновременно размыкая контакт. Значения провала и раствора контактов определяется расстоянием S между стопорной шайбой 11 и перегородкой в корпусе, которая служит также в качестве направляющей стержня 8. После срабатывания размыкателя контакт остается в разомкнутом состоянии, обеспечивая разрыв цепи управляемого (защищаемого) электрооборудования.
В соответствии предлагаемым техническим решениям были изготовлены макеты термоэлектрического размыкателя на номинальный ток 50 А и токи перегрузки до 180 А с высотой Н=8 мм и массой около 15 г. Макеты успешно прошли испытания на соответствие предъявляемым к ним техническим требованиям.
Источники информации:
1. Патент 84156 RU, МПК Н01H 37/76. Переключатель одноразового действия / Мирютов А.В., Фомин К.Н., Кашин П.И.; патентообладатель ОАО «Научно-производственный центр «Полюс» - опубл. 27.06.2009 Бюл. №18.
2. Патент 80708 RU, Н01Н 37/76. Переключатель одноразового действия/ Мирютов А.В., Фомин К.Н., Абакумова Г.В., Сусенкова К.Н., Кашин П.И.; патентообладатель ОАО «Научно-производственный центр «Полюс» - опубл. 20.02.2009 Бюл. №5.
3. Патент 2403644 RU, Н01H 37/76. Переключатель одноразового действия/ Мирютов А.В., Галкин В.В., Шевченко Ю.М., Фомин К.Н. Исаев А.А.; патентообладатель ОАО «Научно-производственный центр «Полюс». - опубл. 10.11.2010 Бюл. №31.
4. Каталог KLS Electronic, Fuse and fuse holder/ www.cnkls.com