Автоматический выключатель
AUTOMATIC SWITCH

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электромеханическим коммутационным аппаратам, и может быть использовано при конструировании автоматических выключателей.
Известны автоматические выключатели, содержащие термобиметаллический расцепитель, электромагнитный расцепитель максимального тока, расцепитель минимального напряжения, независимый расцепитель напряжения, главный рычаг, несущий подвижный контакт, отключающую пружину, рукоятку привода, ломающиеся рычаги, пружину механизма свободного расцепления, контактную пружину главного подвижного контакта, дугогасительные контакты, дугогасительную камеру, компенсатор электродинамических сил дугогасительных контактов, пружину дугогасительного контакта, главные контакты, гибкую токопроводящую связь (Электрические и электронные аппараты: учебник и практикум для академического бакалавриата / под ред. П.А. Курбатова. – М.: Издательство Юрайт, 2017. – 440 с. – Серия: Бакалавр. Академический курс, с. 30).
Этому устройству присущи такие недостатки, как сложная конструкция; высокая трудоемкость изготовления; низкая надежность, сложная кинематика механизма включения/выключения и механизма свободного расцепления, которая снижает надежность устройства и характеризуется значительными усилиями ручного оперирования при включении и выключении автоматического выключателя.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является автоматический выключатель (патент на полезную модель RU №182065, H01H 73/00), содержащий изоляционный корпус, состоящий из основания и крышки, в каждом полюсе неподвижные контакты, закрепленные на основании, подвижные контакты на контактодержателях, жестко соединенных между собой на изоляционном валу, установленном с возможностью вращения, кроме того, как минимум, один тип максимального расцепителя тока, механизм свободного расцепления, содержащий рукоятку, главные пружины и систему ломающихся рычагов, соединенную с контактодержателем, связанных с максимальными расцепителями, дугогасительные камеры, установленные в каждом полюсе выключателя и содержащие пластины из электроизоляционного материала и деионную решетку в виде стальных пластин, неподвижный контакт выполнен в виде петли, а каждая дугогасительная камера имеет искрогасительные пластины закрепленные в крышке выключателя перед отверстиями для выхода коммутационных газов в каждом полюсе выключателя, систему электронной защиты: содержащую трансформаторы тока, установленные в каждом полюсе для выключателей переменного тока и магнитные усилители для постоянного тока; блок управления; переключатели уставок; элементы индикации, выведенные на лицевую панель, на которой отображены значения уставок по току, задержек срабатывания и режимы работы защит, при этом лицевая панель закрывается крышкой, выполненной с возможностью визуального обзора элементов, расположенных под крышкой и электронный блок, причем задняя стенка корпуса дополнительно снабжена разъемом для соединения с выключателем, а боковая стенка корпуса снабжена разъемом для внешних цепей исполнительного органа, установленного на выключателе и воздействующего на него, при этом электронный блок, выполнен с обеспечением возможности регулировки уставок и режимов в процессе эксплуатации, обеспечивающий выполнение функций защиты от перегрузки без выдержки времени, с независимой от тока выдержкой времени, с обратноквадратичной зависимой от тока выдержкой времени, с выдержкой времени, обратной 4 степени тока, однофазного короткого замыкания на землю с выдержкой времени и без выдержки времени, междуфазного короткого замыкания с выдержкой времени и без выдержки времени с переключателем на ускоренную защиту от междуфазного короткого замыкания, электронный блок дополнительно содержит световую систему с целью предотвращения аварий, которая состоит из: индикатора кратности тока наиболее нагруженной фазы; сигнализации наличия перегрузки; индикатор причины отключения; передатчик во внешние цепи сигналов причины отключения, логической селективности; дистанционный переключатель характеристик защиты от токов перегрузки.
Основными недостатками наиболее близкого аналога являются значительные усилия ручного оперирования при включении и выключении, иногда превосходящие возможности среднестатистического оператора, обусловленные необходимостью  преодоления усилия главных пружин, которое определяется величиной тока, коммутируемого главными контактами автоматического выключателя, а также сложная конструкция электронных расцепителей, обусловленная наличием электромагнитных исполнительных элементов на каждый расцепитель, снижающим показатели надежности автоматического выключателя.
Задачей изобретения является создание более простой в изготовлении и эксплуатации конструкции автоматического выключателя с оптимальными условиями оперирования при выполнении операции ручного включения и отключения контактов и упрощение устройства.
Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение усилия оперирования при выполнении операции ручного включения и отключения контактов и упрощение устройства за счет исключения  сложных механических устройств из конструкции автоматического выключателя.
Этот технический результат достигается тем, что в автоматическом выключателе содержащем, изоляционный корпус, , по меньшей мере, один полюс, состоящий из главных контактов выключателя, подвижные контакты на контактодержателе, жестко соединенные между собой, содержащий рукоятку, главные пружины, дугогасительные камеры, установленные в каждом полюсе выключателя, систему электронной защиты: содержащую трансформаторы тока, установленные в каждом полюсе для выключателей переменного тока или магнитные усилители для постоянного тока, как минимум, один максимальный расцепитель тока, без выдержки времени В СООТВЕТСТВИИ С ИЗОБРЕТЕНИЕМ выключатель содержит электромагнитный привод главных контактов в виде поляризованного электромагнита с включающей и отключающей управляющими обмотками с общей точкой, объединяющей начало включающей и конец выключающей обмоток, в состав которого входит устройство ручного возврата якоря, а также рычаг, шарнирно установленный на пластмассовом корпусе выключателя, с возможностью воздействия рычага на якорь электромагнита для его перемещения из начального положения в конечное, при выполнении операции ручного включения автоматического выключателя, а также схему управления электромагнитом с клеммами для подключения к источнику оперативного питания, между которыми включены варистор, входы выпрямительного моста, к выходам которого подключены варистор и блок преобразования напряжения оперативного питания в напряжение питания электронных блоков системы защиты, причем, общая точка обмоток управления элетромагнита подключена к одному из выходов моста, при этом начало выключающей обмотки через электронный ключ подключено к другому выходу моста, к которому также через элетронный ключ подключен конец выключающей обмотки, управляющий вход электронного ключа выключающей обмотки через формирователь коротких импульсов подключен к выходу логического элемента "ИЛИ", каждый из входов которого соединены с выходами расцепителя минимального напряжения, независимого расцепителя напряжения, максимально токового расцепителя без выдержки времени, макимального токового расцепителя с зависимой выдержкой времени, причем, вход расцепителя с выдержкой времени и расцепителя без выдержки времени сединены с выходом трансформатора тока, включенного в цепь главных контактов выключателя, при этом вход расцепителя минимального напряжения подключен к выходу датчика напряжения, включенного между двумя цепями главных контактов выключателя, вход независимого расцепителя соединен с кнопкой управления оператора.
Отличительной особенностью данного технического решения является то, что выключатель содержит электромагнитный привод главных контактов в виде поляризованного электромагнита с включающей и отключающей управляющими обмотками с общей точкой, объединяющей начало включающей и конец выключающей обмоток, в состав которого входит устройство ручного возврата якоря, а также рычаг, шарнирно установленный на пластмассовом корпусе выключателя, с возможностью воздействия рычага на якорь электромагнита для его перемещения из начального положения в конечное, при выполнении операции ручного включения автоматического выключателя, а также схему управления электромагнитом с клеммами для подключения к источнику оперативного питания, между которыми включены варистор, входы выпрямительного моста, к выходам которого подключены варистор и блок преобразования напряжения оперативного питания в напряжение питания электронных блоков системы защиты, причем, общая точка обмоток управления элетромагнита подключена к одному из выходов моста, при этом начало выключающей обмотки через электронный ключ подключено к другому выходу моста, к которому также через элетронный ключ подключен конец выключающей обмотки, управляющий вход электронного ключа выключающей обмотки через формирователь которотких импульсов подключен к выходу логического элемента "ИЛИ", каждый из входов которого соединены с выходами расцепителя минимального напряжения, независимого расцепителя напряжения, максимально токового расцепителя без выдержки времени, макимального токового расцепителя с зависимой выдержкой времени, причем, вход расцепителя с выдержкой времени и расцепителя без выдержки времени сединены с выходом трансформатора тока, включенного в цепь главных контактов выключателя, при этом вход расцепителя минимального напряжения подключен к выходу датчика напряжения, включенного между двумя цепями главных контактов выключателя, вход независимого расцепителя соединен с кнопкой управления оператора.
Из уровня техники неизвестно устройство автоматического выключателя, обладающего совокупностью признаков заявляемого технического решения. Поэтому можно сделать вывод, что техническое решение обладает новизной.
Из уровня техники также неизвестна совокупность заявленных отличительных признаков, использование которых в каких-либо технических решениях имело бы такое же влияние на технический результат, как и указанный в описании заявленного технического решения. Поэтому можно сделать вывод, что техническое решение соответствует критерию изобретательский уровень.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображен автоматический выключатель в пластмассовом корпусе.
На фиг 2 изображен поляризованный электромагнит с устройством ручного возврата выключателя.
На фиг. 3 изображена блок-схема системы управления и защиты выключателя.
Заявляемый автоматический выключатель содержит магнитопроводы 16, 17 поляризованного электромагнита 1 с размещенными на нем обмотками управления включающей 14 и выключающей 15, якорь 2, прикрепленный к траверсе 8 с возвратными пружинами (на чертеже не показаны), панель управления 3 в виде блока печатного монтажа системы защиты и управления, представленной на рис.3, пластмассовый корпус 4 с крышкой 5, пластину 6, соединенную с якорем, через которую передается усилие на траверсу 8 для замыкания главных контактов (контакты вакуумных камер), устройство ручного возврата 7. Корпус 4, закреплен винтами к основанию 9, в котором размещены главные контакты 34, 35 с траверсой 8, рычаг 10, с помощью шарнира 11 установленный на корпусе 4.
1,
2
Все элементы электрической схемы системы управления и защиты приведены на рис.3. На схеме изображены  главные контакты 34 и 35, трансформатор тока (или магнитный усилитель для выключателя постоянного тока) 19, датчик напряжения 20, формирователь коротких импульсов 29 и 30, электронные ключи 26 и 27, логический элемент "ИЛИ" 25, электронный расцепитель минимального напряжения 21, независимый электронный расцепитель напряжения 22, электронный расцепитель максимального тока без выдержки времени 23, электронный расцепитель максимального тока с зависимой выдержкой времени 24, блок преобразования напряжения оперативного питания в напряжение питания электронных блоков системы защиты 28 с выходами х хдля подключения к одноименным входам электронных элементов схемы -на схеме соединения не показаны, варисторы для защиты схемы от перенапряжений 31 и 33, выпрямительный мост 32, клеммы 36, 37 для подключения к источнику оперативного питания.
Автоматические выключатели предназначены для нечастых включений и выключений нагрузки вручную и защиты нагрузки от ненормальных режимов, таких как, превышение тока нагрузки над номинальным значением и понижение напряжения на нагрузке ниже допустимого предела.
Ниже рассматривается работа автоматического выключателя в рабочих режимах в соответствии с его функциональным значением.
Включение автоматического выключателя осуществляется переводом рычага 10 вручную из нижнего положения в верхнее положение. При этом рычаг 10 воздействует на якорь 2 поляризованного электромагнита, переводя его из начального нижнего положения в конечное верхнее положение. Якорь 2 электромагнита воздействует через пластину 6 на траверсу 8 и его перевод из начального нижнего положения в конечное верхнее положение, приводит к замыканию главных контактов 34, 35. Переводу якоря 2 из начального положения в конечное положение способствует постоянный магнит 18, входящий в состав поляризованного электромагнита 1. Постоянный магнит возбуждает магнитный поток в системе, который создает усилие притяжения якоря, способствующее снижению усилия ручного оперирования. В результате при включении происходит снижение необходимого усилия оперирования. После перехода якоря 2, под действием усилия оперирования, в конечное положение главные контакты замыкаются. В дальнейшем удержание контактов в замкнутом состоянии обеспечивается магнитным потоком постоянного магнита.. При этом отсутствует потребление мощности электромагнитом от сети. Включение автоматического выключателя также быть произведено кнопкой оператора посредством воздействия через формирователь коротких импульсов 29 и электронный ключ 26 на включающую обмотку 14.
Ручной возврат автоматического выключателя обеспечивается устройством ручного возврата поляризованного электромагнита 7, например, как это представлено в описании к патенту RU №2310941 (абз.15 описания, поз. 7, 12, 13, 15  на фиг. 1 чертежа ) или в описании к патенту RU №2704021 - поворотом ручки управления с последующим ее возвратом в исходное состояние после перехода якоря электромагнита из конечного положения в начальное.
Работа автоматического выключателя при ненормальных режимах происходит следующим образом.
4
6
До появления какого-либо ненормального режима автоматический выключатель был переведен во включенное состояние описанными выше приемами. Заявляемый автоматический выключатель позволяет осуществлять комплексную защиту нагрузки от понижения напряжения ниже определенного уровня, коротких замыканий и перегрузок. Комплексная защита осуществляется электронными или микропроцессорными расцепителями, соответственно обозначенными на схеме 21, 22, 23, 24 (фиг. 3). На появление любого первого во времени ненормального режима реагирует трансформатор или датчик, в результате чего появляется логический сигнал на выходе соответствующего расцепителя, связанного с трансформатором или датчиком. Этот сигнал поступает на соответствующий вход логического элемента "ИЛИ", после чего появляется сигнал на его выходе х. Этот сигнал через формирователь коротких импульсов 30 подается на вход хэлектронного ключа 27 выключающей обмотки 15, подключая на короткое время (время длительности короткого импульса, равного времени возврата якоря 2 поляризованного электромагнита) выключающую обмотку 15 к источнику питания, при этом происходит возврат якоря 2 электромагнита в исходное положение и отключение главных контактов.
3
5
Включение автоматического выключателя может также осуществляться посредством подачи на управляющий вход х электронного ключа 26 в цепи включающей обмотки 14 управляющего сигнала от формирвателя коротких импульсов 29, связанного с элементом включения 38 оператора в цепи включающей обмотки 14 поляризованного электромагнита через формирователь коротких импульсов 29, связанный с элементом включения 38 оператора. Отключение также может производиться оператором через независимый электронный расцепитель напряжения 22 путем подачи сигнала на вход х независимого расцепителя напряжения от элемента включения 39 оператора.
В результате такой совокупности конструктивных элементов устройство автоматического выключателя более удобно в работе, имеет простую и надежную конструкцию.