БИСТАБИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД КОММУТАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к бистабильным электромагнитным приводам высоковольтных выключателей, используемых для коммутации силовых энергетических сетей.
Известен бистабильный электромагнитный привод коммутационного устройства (см. Проспект. - Вакуумный выключатель с магнитным приводом типа VM1. ABB Power Distribution. - 12 с., прилагается), содержащий бистабильный электромагнит, состоящий из неподвижной части магнитопровода с расположенными в ней катушками включения и выключения и двумя постоянными магнитами и подвижной части магнитопровода, выполненной с возможностью соединения с исполнительным механизмом коммутационного устройства, и устройство для управления бистабильным электромагнитом, выполненное с возможностью подключения обмоток катушек включения и выключения к одному источнику постоянного тока. Подвижная часть магнитопровода выполнена в виде якоря, расположенного внутри неподвижной части магнитопровода с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси катушек. Длина якоря меньше высоты неподвижной части магнитопровода на заданную величину хода. Бистабильный электромагнит выполнен с возможностью образования одного немагнитного воздушного зазора в магнитных цепях включения и выключения в двух стабильных положениях якоря. Фиксирование якоря в этих положениях обеспечивается постоянными магнитами, создающими при обесточенных катушках эффект "магнитной защелки". Включение и выключение электромагнитного привода осуществляется при подаче тока, соответственно, в обмотку катушки включения или выключения за счет создания ими в магнитной цепи сил притяжения якоря, превышающих по значению и противоположных по направлению силам, удерживающим его в стабильных положениях. После перемещения якоря из одного в противоположное стабильное положение обмотка соответствующей катушки отключается от источника постоянного тока посредством устройства для управления бистабильным электромагнитом. Устройство для управления бистабильным электромагнитом содержит электронные элементы для управления режимами работы катушек включения и выключения, для контроля состояния коммутационного устройства и для управления процессом аккумулирования энергии в источнике постоянного тока, выполненном в виде конденсатора. Упомянутое устройство выполнено с возможностью попеременного подключения обмоток катушек включения и выключения к конденсатору. Известный электромагнитный привод используется в конструкции высоковольтного выключателя VM1 производства компании ABB.
Недостатками известного бистабильного электромагнитного привода коммутационного устройства являются:
- относительно небольшое значение тяговой силы в бистабильном электромагните при переходе из одного стабильного положения в другое, обусловленное попеременным подключением обмоток катушек к источнику постоянного тока, что вызывает необходимость в подаче на них большого тока для создания тяговой силы, достаточной для перемещения якоря из одного стабильного положения в другое;
- относительно большое время срабатывания бистабильного электромагнита при включении и выключении коммутационного устройства, обусловленное большой длительностью нарастания магнитного потока, необходимого для создания требуемых тяговых сил;
- относительно большая емкость и стоимость конденсатора, используемого в качестве источника постоянного тока.
Известен бистабильный электромагнитный привод коммутационного устройства (см. патент UA №72320, Н01Н 33/66, дата публикации 15.02.2005), содержащий бистабильный электромагнит, состоящий из неподвижной части магнитопровода с расположенными в ней катушками включения и выключения и двумя постоянными магнитами и подвижной части магнитопровода, выполненной с возможностью соединения с исполнительным механизмом коммутационного устройства, и устройство для управления бистабильным электромагнитом, выполненное с возможностью подключения обмоток катушек включения и выключения к источнику постоянного тока. Подвижная часть магнитопровода выполнена в виде якоря, расположенного внутри неподвижной части магнитопровода с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси катушек. Длина якоря меньше высоты неподвижной части магнитопровода на заданную величину хода. Бистабильный электромагнит выполнен с возможностью образования одного немагнитного воздушного зазора в магнитных цепях включения и выключения в стабильных положениях якоря. Фиксирование якоря в этих положениях обеспечивается постоянными магнитами, создающими при обесточенных катушках эффект "магнитной защелки". Включение и выключение электромагнитного привода осуществляется при подаче тока, соответственно, в обмотку катушки включения или выключения за счет создания ими в магнитной цепи сил притяжения якоря, превышающих по значению и противоположных по направлению силам, удерживающим его в стабильных положениях. После перемещения якоря из одного в противоположное стабильное положение обмотка соответствующей катушки отключается от источника постоянного тока посредством устройства для управления бистабильным электромагнитом. Устройство для управления бистабильным электромагнитом содержит электромеханические элементы для управления режимами работы катушек включения и выключения, для контроля состояния коммутационного устройства и для управления процессом аккумулирования энергии в источнике постоянного тока, выполненном в виде конденсатора. Упомянутое устройство выполнено с возможностью попеременного подключения обмоток катушек включения и выключения к основному источнику постоянного или выпрямленного тока, при этом обмотка катушки выключения соединена с дополнительным источником постоянного тока - конденсатором, что обеспечивает бесперебойность ее питания при аварийном отключении основного источника.
Усовершенствование конструкции устройства для управления бистабильным электромагнитом позволило повысить надежность и безопасность работы привода. Известный бистабильный электромагнитный привод апробирован в конструкции высоковольтного выключателя серии ВР2 производства компании Ровенский завод высоковольтной аппаратуры.
Недостатками известного бистабильного электромагнитного привода коммутационного устройства являются:
- относительно небольшое значение тяговой силы в бистабильном электромагните при переходе из одного стабильного положения в другое, обусловленная попеременным подключением обмоток катушек к источнику постоянного тока, что вызывает необходимость в подаче на них большого тока для создания тяговой силы, достаточной для перемещения якоря из одного стабильного положения в другое;
- относительно большое время срабатывания бистабильного электромагнита при включении и выключении коммутационного устройства, обусловленное большой длительностью нарастания магнитного потока, необходимого для создания требуемых тяговых сил;
- относительно большая емкость и стоимость конденсатора, используемого в качестве дополнительного источника постоянного тока.
Указанные недостатки в совокупности снижают технические характеристики бистабильного электромагнитного привода коммутационного устройства при одновременном его удорожании.
В основу полезной модели поставленная задача создания такой конструкции бистабильного электромагнитного привода коммутационного устройства, в которой за счет иной взаимосвязи обмоток катушек включения и выключения с устройством для управления бистабильным электромагнитом и иного конструктивного выполнения упомянутого устройства обеспечивается существенное повышение величины тяговой силы бистабильного электромагнита при меньшем значении тока в его обмотках, что позволяет повысить быстродействие привода при одновременном снижении его стоимости.
Поставленная задача решается тем, что в бистабильном электромагнитном приводе коммутационного устройства, содержащем бистабильный электромагнит, состоящий из неподвижной части магнитопровода с расположенными в ней катушками включения и выключения и по меньшей мере одним постоянным магнитом и подвижной части магнитопровода, выполненной с возможностью соединения с исполнительным механизмом коммутационного устройства, и устройство для управления бистабильным электромагнитом, выполненное с возможностью подключения обмоток катушек включения и выключения по меньшей мере к одному источнику постоянного или выпрямленного тока, согласно полезной модели упомянутое устройство содержит по меньшей мере один элемент для формирования заданного значения тока в обмотках катушек и выполнено с возможностью одновременного подключения обмоток катушек включения и выключения к источнику постоянного или выпрямленного тока при включении и выключении электромагнитного привода, при этом при включении электромагнитного привода обмотка катушки включения соединена с источником постоянного или выпрямленного тока непосредственно, а обмотка катушки выключения соединена с упомянутым источником тока через элемент для формирования заданного значения тока в обмотках катушек, при выключении электромагнитного привода обмотка катушки выключения соединена с источником постоянного или выпрямленного тока непосредственно, а обмотка катушки включения соединена с упомянутым источником тока через элемент для формирования заданного значения тока в обмотках катушек.
При этом устройство для управления бистабильным электромагнитом выполнено с возможностью одновременного подключения обмоток катушек включения и выключения к общему или к отдельным источникам постоянного или выпрямленного тока.
Совокупность общих и отличительных существенных признаков формулы полезной модели позволяет реализовать в заявляемой конструкции бистабильного электромагнитного привода при его включении и выключении существенное увеличение тяговой силы бистабильного электромагнита при меньшем значении тока в обмотках катушек. Выполнение устройства для управления бистабильным электромагнитом, по меньшей мере, с одним элементом для формирования заданного значения тока позволяет подавать в обмотки катушек постоянный ток с определенными параметрами, которые выбираются, например, с учетом конструктивного исполнения и назначения коммунационного устройства. Выполнение упомянутого устройства с возможностью одновременного подключения обмоток катушек включения и выключения к источнику постоянного или выпрямленного тока при включении и выключении электромагнитного привода, а также с возможностью соединения при включении электромагнитного привода обмотки катушки включения непосредственно с источником тока и обмотки катушки выключения - через элемент для формирования заданного значения тока и при выключении электромагнитного привода обмотки катушки выключения непосредственно с источником тока и обмотки катушки включения - через упомянутый элемент обеспечивает создание в бистабильном электромагните суммарные магнитные поля, существенно повышающие его тяговые силы, воздействующие на подвижную часть магнитопровода при переходе из одного стабильного положения в другое. Это позволяет существенно снизить значение тока в обмотках катушек при включении и выключении электромагнитного привода и сократить продолжительность процесса преодоления магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом для удержания подвижной части магнитопровода в его крайних положениях. Снижение значения тока в обмотках катушек при включении и выключении электромагнитного привода позволяет, в свою очередь, использовать в конструкции коммутационного устройства иные источники постоянного или выпрямленного тока, например, конденсаторы с меньшей емкостью или оперативные источники питания коммутационного устройства меньшей мощности. За счет этого указанный результат может быть достигнут при одновременном снижении стоимости электромагнитного привода коммутационного устройства.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется представленными фигурами чертежей, где на фиг.1 - принципиальная схема бистабильного электромагнитного привода; на фиг.2 - принципиальная схема магнитной цепи и направления магнитных потоков при обесточенных обмотках катушек (выключенное состояние); на фиг.3 - то же при включении привода; на фиг.4 - принципиальная электрическая схема исполнения привода с общим источником постоянного тока при включении привода; на фиг.5 - то же при выключении привода; на фиг.6 - принципиальная электрическая схема исполнения привода с отдельными источниками постоянного тока при включении привода; на фиг.7 - то же при выключении привода.
Бистабильный электромагнитный привод коммутационного устройства содержит (фиг.1) бистабильный электромагнит 1, состоящий из неподвижной части магнитопровода 2 с расположенными в ней соосно катушками включения 3 и выключения 4 и двумя постоянными магнитами 5 и подвижной части магнитопровода 6, и устройство 7 для управления бистабильным электромагнитом, выполненное с возможностью подключения обмоток упомянутых катушек 3 и 4 к источнику постоянного или выпрямленного тока 8. Подвижная часть магнитопровода 6 выполнена в виде якоря, размещенного в упомянутой неподвижной части 2 с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси катушек 3, 4. Длина якоря меньше высоты неподвижной части магнитопровода 2 на заданную величину его хода. Якорь посредством промежуточного механического устройства соединен с подвижными контактами коммутационного устройства (не показаны). Бистабильный электромагнит 1 выполнен с одним немагнитным воздушным зазором (не обозначен), который образуется между неподвижной частью магнитопровода 2 и торцом якоря в каждом из стабильных положений - включения или выключения.
1
2
1
2
3
4
2
1
Устройство 7 для управления бистабильным электромагнитом содержит, по меньшей мере, один элемент для формирования заданного значения тока 9 в обмотках катушек 3, 4 и выполнено с возможностью одновременного подключения обмоток катушек включения 3 и выключения 4 к источнику постоянного или выпрямленного тока 8 при включении и выключении электромагнитного привода. Постоянные магниты 5 намагничены встречно друг другу, при этом поверхности одной пары одноименных полюсов N прилегают к якорю, а другой пары одноименных полюсов S - к неподвижной части 2 магнитопровода бистабильного электромагнита 1 (фиг.2) При обесточенных обмотках катушек включения 3 и выключения 4 и направлениях намагничивания постоянных магнитов 5, соответствующих обозначениям N и S, создаваемые ими магнитные потоки Ф и Ф направлены встречно (обозначены стрелками). При указанных направлениях намагничивания постоянных магнитов 5 после соединения обмоток катушек включения 3 и выключения 4 с источником постоянного тока 8 (фиг.3) в упомянутых обмотках проходят токи во встречном направлении (обозначены стрелками), в результате чего в магнитной системе одновременно с магнитными потоками Ф и Ф создаются магнитные потоки Ф и Ф, направление которых совпадает с направлением магнитного потока Ф, и противоположно к направлению магнитного потока Ф.
В рассматриваемых примерах исполнения бистабильного электромагнитного привода устройство 7 для управления бистабильным электромагнитом выполнено с образованием замкнутого контура между элементом для формирования заданного значения тока 9 и обмотками катушек включения 3 и выключения 4. При этом, в случае использования для работы бистабильного электромагнитного привода одного источника постоянного или выпрямленного тока 8 упомянутое устройство 7 выполнено таким образом, что при включении привода обмотка катушки включения 3 соединена с источником постоянного или выпрямленного тока 8 непосредственно, а обмотка катушки выключения 4 соединена с упомянутым источником тока через элемент для формирования заданного значения тока 9 (фиг.4), при выключении привода обмотка катушки выключения 4 соединена с источником постоянного или выпрямленного тока 8 непосредственно, а обмотка катушки включения 3 соединена с упомянутым источником тока через элемент для формирования заданного значения тока 9 (фиг.5). При использовании для работы бистабильного электромагнитного привода двух источников постоянного или выпрямленного тока 10 и 11 упомянутое устройство 7 выполнено таким образом, что при включении привода обмотка катушки включения 3 соединена с источником постоянного или выпрямленного тока 10 непосредственно, а обмотка катушки выключения 4 - через элемент для формирования значения тока 9 (фиг.6), при выключении привода обмотка катушки выключения 4 соединена с источником постоянного или выпрямленного тока 11 непосредственно, а обмотка катушки включения 3 - через элемент для формирования значения тока 9 (фиг.7). В обоих примерах исполнения элемент для формирования заданного значения тока 9 может быть выполнен, например, в виде резистора.
Описанное в примерах и представленное на чертежах техническое решение может быть реализовано в бистабильных электромагнитных приводах различного конструктивного исполнения, которые содержат совокупность существенных признаков, включенных в формулу полезной модели. Например, бистабильный электромагнит может быть выполнен с двумя или более немагнитными воздушными зазорами в магнитной системе. Например, подвижная часть магнитопровода может быть выполнена в виде штока из немагнитного материала, расположенного внутри неподвижной части магнитопровода, и двух якорей, закрепленных на противоположных концах штока с внешней стороны упомянутой неподвижной части. Например, катушки включения и/или выключения могут быть выполнены с несколькими обмотками. Например, бистабильный электромагнит может быть выполнен не с возвратно-поступательным перемещением его подвижной части относительно неподвижной части магнитопровода, а с возвратно-вращательным перемещением на заданный угол. Например, неподвижная часть магнитопровода может быть выполнена круглой или иной формы. Например, устройство для управления бистабильным электромагнитом может содержать элементы для формирования заданного значения тока иного конструктивного исполнения, выполненные, в частности, в виде комбинаций пассивных (резисторы, конденсаторы, индукторы) и активных (транзисторы, тиристоры и др.) элементов электрических цепей, обеспечивающих получение вышеуказанного технического результата.
Работа заявляемого бистабильного электромагнитного привода поясняется на примере его исполнения с бистабильным электромагнитом, выполненным с одним немагнитным воздушным зазором. Привод работает следующим образом.
1
2
2
1
В исходном (выключенном) положении бистабильного электромагнитного привода при обесточенных обмотках катушек включения 3 и выключения 4 (фиг.2) встречно намагниченные постоянные магниты 5 создают в бистабильном электромагните 1 магнитные потоки Ф и Ф и соответствующие им силы притяжения якоря к верхнему и нижнему горизонтальным участкам неподвижной части магнитопровода 2. Наличие немагнитного воздушного зазора между торцом якоря и нижним горизонтальным участком неподвижной части магнитопровода 2 существенно уменьшает магнитный поток Ф по сравнению с магнитным потоком Ф, в результате чего сила притяжения якоря к верхнему горизонтальному участку значительно превышает силу его притяжения к противоположную нижнему участку. За счет разницы указанных сил якорь будет находиться в верхнем стабильном положении, соответствующем выключенному положению бистабильного электромагнитного привода.
3
1
2
4
1
Включение привода осуществляют посредством устройства 7 для управления бистабильным электромагнитом путем одновременного соединения обмоток катушек включения 3 и выключения 4 с источником постоянного тока 8 (фиг.3, 4). При направлениях намагничивания постоянных магнитов 5, соответствующих обозначениям N и S, и соединении обмоток катушек включения 3 и выключения 4 с источником постоянного тока 8 в упомянутых обмотках проходят токи во встречном направлении. В этом случае обмотка катушки включения 3, подключенная к источнику постоянного тока 8 непосредственно, создаст магнитный поток Ф, направленный встречно к потоку Ф в верхней части якоря и согласно с потоком Ф в нижней части якоря, в результате чего сила притяжения последнего к верхнему горизонтальному участку неподвижной части магнитопровода 2 уменьшится, а сила притяжения якоря к нижнему горизонтальному участку неподвижной части магнитопровода 2 увеличится. Для того, чтобы сила притяжения якоря к нижнему горизонтальному участку неподвижной части магнитопровода 2 превысила силу его притяжения к верхнему участку и якорь начал перемещаться в противоположное стабильное положение, через обмотку катушки включения 3 следует пропустить относительно большой ток. Однако, в результате одновременного подключения к источнику постоянного тока 8 обмотки катушки выключения 4 через элемент 9 для формирования заданного значения тока при заданном направления протекания в ней тока в магнитной системе создается магнитный поток Ф, направленный встречно к потоку Ф в верхней части якоря, что дополнительно уменьшает силу его притяжения к верхнему горизонтальному участку неподвижной части магнитопровода 2. При этом суммарное значение тока в обмотках катушек включения 3 и выключения 4, необходимое для начала перемещения якоря бистабильного электромагнита 1 из одного (выключенного) стабильного положения в противоположное (включенное), оказывается существенно меньше, чем при подключении одной обмотки катушки включения 3, работающей без «помощи» обмотки катушки выключения 4. После перемещения якоря во включенное стабильное положение обмотки обеих катушек 3 и 4 обесточивают, а удержание якоря в этом положении обеспечивается за счет сил, создаваемых постоянными магнитами 5.
Для выключения бистабильного электромагнитного привода в устройстве 7 для управления бистабильным электромагнитом обмотка катушки выключения 4 соединяется с источником постоянного тока 8 непосредственно, а обмотка катушки включения 3 соединяется с упомянутым источником через элемент 9 для формирования заданного значения тока. В результате сила притяжения якоря к верхнему горизонтальному участку неподвижной части магнитопровода 2 становится больше силы его притяжения к нижнему горизонтальному участку и начинается движение якоря в противоположное - выключенное стабильное положение. После перемещения якоря в выключенное стабильное положение устройство 7 для управления бистабильным электромагнитом обесточивает обмотки обеих катушек 3 и 4, а удержание якоря в этом положении обеспечивается за счет сил, создаваемых постоянными магнитами 5.
Результаты экспериментальных исследований, выполненных на опытных образцах, спроектированных и изготовленных на основе заявляемого технического решения, подтвердили работоспособность предложенного бистабильного электромагнитного привода в составе коммутационных устройств и получение заданного технического результата. В частности, использование привода заявляемой конструкции позволяет обеспечить необходимую тяговую силу электромагнита при снижении на 20-30% суммарного тока в обмотках катушек включения и выключения по сравнению с электромагнитными приводами, выполненным с попеременным подключением обмоток. Примерно на столько же уменьшается и время срабатывания электромагнитного привода при включении и выключении коммутационного устройства. Указанный технический результат достигается при одновременном обеспечении надежности и безопасности эксплуатации коммутационного устройства.