ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к электромагнитным приводам коммутационных аппаратов, таких, как вакуумные контакторы или выключатели, использующих электромагнитные приводы, потребляющие при включении большие токи, а при удержании в длительном включенном состоянии, потребляющие малые токи или использующие механические защелки.
Известен электромагнитный привод выключателей (патент RU 2074438C1, МПК: Н01Н 33/42, Н01Н 33/66, Н01Н 33/59, опубликован 27.02.1997), в котором вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) включаются электромагнитным приводом от источника переменного напряжения через выпрямительный диодный мост с помощью электронного ключа, выполненного на тиристорах или транзисторе. Катушка электромагнита включения шунтирована последовательной цепочкой из диода и резистора. От якоря электромагнита управляются блок-контакты в конце включения электромагнитного привода. Во включенном положении электромагнитный привод фиксируется механической защелкой, сбиваемой отключающим электромагнитом при отключении привода и выключателя.
Существенным недостатком электромагнитного привода является использование механической защелки и отключающего электромагнита, что не только усложняет конструкцию и увеличивает габариты электромагнитного привода, но и делает его менее надежным и долговечным при эксплуатации.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому техническому решению является устройство форсированного электромагнитного привода коммутационного аппарата (патент RU 2195732C2, МПК: H01F 7/18, Н01Н 47/32, опубликован. 22.12.2002), которое содержит катушку электромагнита с шунтирующим ее диодом, транзистор, таймер, генератор прямоугольных импульсов, включающий контакт и двухпозиционный переключатель. При включении электромагнитного привода включающий контакт открывает транзистор и катушка электромагнита подключается к источнику постоянного или выпрямленного напряжения, в конце включения электромагнитного привода переключатель подключает базу транзистора к генератору прямоугольных импульсов и по катушке электромагнита протекает минимальный ток, удерживающий якорь электромагнита в притянутом положении, а электромагнитный привод - во включенном положении. Преимущество такого электромагнитного привода заключается в исключении механической защелки и системы ее сбивания.
Недостаток электромагнитного привода - сложная схема управления с мощным транзистором, таймером и генератором прямоугольных импульсов на микросхемах, что ведет и к уменьшению надежности привода.
Технической задачей полезной модели является создание электромагнитного привода коммутационного аппарата, позволяющего использовать источник переменного периодического напряжения, в частности, напряжения промышленной частоты в качестве генератора периодических импульсов с удержанием привода в длительном включенном положении с помощью минимального количества простых пассивных электронных элементов: диода, стабилитрона или линейного резистора, или нелинейного резистора.
Достигаемым техническим результатом полезной модели является максимальное упрощение схемы привода и повышение его надежности.
Поставленная задача решается благодаря тому, что электромагнитный привод коммутационного аппарата содержит включающий контакт, катушку электромагнита, шунтирующий катушку электромагнита диод, источник напряжения, к которому присоединена катушка электромагнита, где в качестве источника напряжения применен источник переменного периодического напряжения, к выводам которого катушка электромагнита присоединена через последовательно соединенные ограничитель тока катушки электромагнита, дополнительный диод и включающий контакт, причем, ограничитель тока катушки электромагнита шунтирован размыкающим контактом, а шунтирующий катушку электромагнита диод включен встречно дополнительному диоду.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами и диаграммами:
на фиг.1 приведена электрическая схема электромагнитного привода коммутационного аппарата со стабилитроном в качестве ограничителя тока катушки электромагнита;
на фиг.2 показано включение в схему нелинейного резистора в качестве ограничителя тока катушки электромагнита;
на фиг.3 показано включение в схему линейного резистора как ограничителя тока катушки электромагнита;
на фиг.4 представлена диаграмма напряжения, прикладываемого к катушке электромагнита;
на фиг.5 представлена диаграмма тока в катушке электромагнита в длительном включенном состоянии электромагнитного привода и коммутационного аппарата.
Устройство (фиг.1) содержит:
1 - источник переменного периодического напряжения;
2 - катушку электромагнита;
3 - шунтирующий катушку электромагнита диод;
4 - ограничитель тока катушки электромагнита;
5 - дополнительный диод;
6 - включающий контакт;
7 - размыкающий контакт;
8 и 9 - выводы источника переменного периодического напряжения.
На фиг. 4 заштрихованная область соответствует напряжению, прикладываемому к катушке электромагнита 2 в длительном режиме после размыкания контакта 7. Штриховой линией показаны срезанные полуволны напряжения источника переменного периодического напряжения 1.
На фиг.4 обозначено:
m
U - амплитудное значение напряжения источника переменного периодического напряжения 1;
1
U - напряжение ограничителя тока катушки электромагнита 4, соответствующее стабилитрону или нелинейному резистору;
1
2
t, t - начало и конец импульса напряжения на катушке электромагнита;
Т - период питающего напряжения и импульсов на катушке электромагнита.
На фиг.5 обозначено:
1
2
i, i - минимальное и максимальное значение тока катушки электромагнита.
В устройстве (фиг.1) к выводам 8 и 9 источника переменного периодического напряжения 1 через последовательно соединенные включающий контакт 6, дополнительный диод 5 и ограничитель тока катушки электромагнита 4 подсоединена катушка электромагнита 2, параллельно которой подключен шунтирующий катушку электромагнита диод 3. Ограничитель тока катушки электромагнита 4 шунтирован размыкающим контактом 7. Шунтирующий катушку электромагнита диод 3 и дополнительный диод 5 включены встречно относительно выводов 8 и 9 источника переменного периодического напряжения 1. Шунтирующий катушку электромагнита диод 3, дополнительный диод 5 и ограничитель тока катушки электромагнита 4 допускается располагать в схеме произвольно, но с соблюдением их последовательного соединения друг относительно друга и катушки электромагнита 2.
Положение включающего контакта 6 и размыкающего контакта 7 соответствует разомкнутому положению электромагнитного привода и коммутационного аппарата.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
При подаче оперативной команды на включение электромагнитного привода и коммутационного аппарата замыкается включающий контакт 6 (фиг.1) и остается в этом положении все время работы коммутационного аппарата. Через дополнительный диод 5 и размыкающий контакт 7 к катушке электромагнита проходят полностью полуволны напряжения одной полярности и якорь электромагнита (на черт. не показан) под действием постоянной составляющей тока катушки электромагнита 2 замыкает контакты аппарата, например, ВДК. В конце включения механическая система привода под действием якоря электромагнита отключает размыкающий контакт 7 и к катушке электромагнита 2 начинают прикладываться импульсы периодического напряжения, ограниченные - дополнительно к сопротивлению катушки электромагнита- ограничителем тока катушки электромагнита 4 в виде стабилитрона. При этом (фиг.4) к катушке электромагнита 2 прикладывается лишь часть полуволны напряжения - заштрихованная область. В длительном установившемся режиме ток катушки электромагнита при отрицательной полуволне закорачивается через шунтирующий катушку электромагнита диод 3 и происходит спад тока приблизительно по экспоненте в зависимости от постоянной времени катушки электромагнита 2 до минимального значения i (фиг.5). При следующей положительной полуволне ток снова нарастает до максимального значения i. Минимальный ток i обеспечивает необходимый магнитный поток, а следовательно, и силу удержания якоря электромагнита в притянутом положении и коммутационный аппарат - во включенном положении, преодолевая силы пружин отключения и поджатия в аппаратах с ВДК.
Отключается электромагнитный привод оперативным размыканием включающего контакта 6. В начальной стадии движения якоря электромагнита на отключение замыкается размыкающий контакт 7, подготавливая схему электромагнитного привода к следующему включению.
Одним из достоинств предлагаемого электромагнитного привода является облегченная коммутация включающего контакта 6 и размыкающего контакта 7, вследствие пауз в цепи питания катушки электромагнита 2 во время отрицательных полуволн.
При использовании нелинейного резистора в качестве ограничителя тока катушки электромагнита 4 (фиг.2) с независимой от тока характеристикой напряжения в рабочем диапазоне характер кривой напряжения (фиг.4) будет аналогичен показанному варианту с использованием стабилитрона (фиг.1). При использовании линейного резистора (фиг.3) в качестве ограничителя тока катушки электромагнита 4 кривая напряжения будет соответствовать полным полуволнам источника переменного периодического напряжения 1, но ограниченным падением напряжения на резисторе. Характер кривой тока будет одинаковым для всех типов ограничителя тока катушки электромагнита 4.
Поскольку электромагнитные приводы коммутационных аппаратов с ВДК при включении работают в форсированном режиме с потреблением большого тока из-за большого начального рабочего зазора в электромагните, а удержание электромагнитного привода во включенном положении при минимальном зазоре требует небольшого тока, то коэффициент заполнения импульсов мал, вследствие чего дополнительные потери энергии на ограничителе тока катушки электромагнита и его нагрев невелики по сравнению с прототипом, а предложенный электромагнитный привод имеет схему существенно проще и надежней, благодаря применению минимального количества простых и надежных электронных элементов: одного дополнительного диода, ограничителя тока катушки электромагнита в виде стабилитрона или нелинейного, или линейного резистора, одного размыкающего контакта, коммутируемого в облегченном режиме.
Наилучшие результаты предлагаемого устройства будут при максимальной постоянной времени катушки электромагнита, большей в несколько раз полупериода питающего переменного периодического напряжения, что, как правило, выполняется в катушках электромагнитных приводов коммутационных аппаратов, питающихся от напряжения промышленной частоты 50 Гц, в которых постоянная времени превышает (30÷40) мс.
Использование стандартного переменного напряжения промышленной частоты в качестве генератора переменных периодических импульсов напряжения еще больше упрощает схему и делает электромагнитный привод еще более надежным.
Предлагаемое устройство успешно испытано на вакуумных контакторах и выключателях на 10 кВ и 1000А.
Информация, принятая во внимание при составлении заявки:
1. Патент RU 2074438C1, МПК: Н01Н 33/42, Н01Н 33/66, Н01Н 33/59, опубликован 27.02.1997.
2. Патент RU 2195732C2, МПК: H01F 7/18, Н01Н 47/32, опубликован. 22.12.2002.