ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к электромагнитным приводам коммутационных аппаратов, таких, как вакуумные контакторы или выключатели, использующие электромагнитные приводы, потребляющие при включении большие токи, а при удержании в длительном включенном состоянии, потребляющие малые токи, или использующие механические защелки.
Известен электромагнитный привод (Б.Э.Коц. «Электромагниты постоянного тока с форсировкой». «Энергия», 1973, с.9, рис.2, схема 3), в котором к источнику питания постоянного напряжения присоединены последовательно включенные катушка электромагнита и балластный резистор, шунтированный биполярным транзистором, в цепи базы которого имеется таймер в виде RC-цепочки. При включении привода катушка электромагнита через открывшийся по оперативному сигналу транзистор присоединяется непосредственно к источнику питания и развивает максимальное усилие электромагнита. Спустя время уставки таймера, большее времени включения привода, транзистор закрывается и к катушке электромагнита прикладывается напряжение источника, ограниченное падением напряжения на балластном резисторе; этот режим соответствует длительно включенному положению привода. Отключение привода происходит при снятии напряжения питания.
Главный недостаток привода - большой непроизводительный расход электроэнергии на резисторе и его нагрев, требующий эффективного охлаждения, применение мощного транзистора.
Известно устройство форсированного электромагнитного привода коммутационного аппарата (патент RU 2195732 С2, МПК H01F 7/18, Н01Н 47/32, опубликован. 22.12.2002), которое содержит катушку электромагнита, диод, шунтирующий эту катушку, 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.
Недостаток электромагнитного привода - сложная схема управления с мощным транзистором, таймером и генератором прямоугольных импульсов на микросхемах, что ведет и к уменьшению надежности привода.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому техническому решению является электромагнитный привод выключателей (патент RU 2074438 С1, МПК Н01Н 33/42, Н01Н 33/66, Н01Н 33/59, опубликован 27.02.97), который содержит катушку электромагнита, выпрямительный диодный мост, контакт в виде электронного ключа. Вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) включаются электромагнитным приводом от источника переменного напряжения через выпрямительный диодный мост с помощью электронного ключа. 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.
Технической задачей полезной модели является создание электромагнитного привода, позволяющего использовать включение коммутационных аппаратов с ВДК на большие номинальные и ударные токи, требующие больших тяговых усилий электромагнита, и удержание электромагнитного привода во включенном положении при минимальном потреблении энергии.
Техническим результатом полезной модели является максимальное упрощение схемы электромагнитного привода, повышение его надежности, расширение функциональных возможностей, поскольку обеспечивается включение коммутационных аппаратов с ВДК на большие номинальные и ударные токи, требующие больших тяговых усилий электромагнита, и удержание электромагнитного привода во включенном положении при минимальном потреблении энергии.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в электромагнитный привод, содержащий катушку электромагнита, выпрямительный диодный мост, контакт, введены первый и второй размыкающие контакты, ограничитель тока катушки электромагнита. В диагонали выпрямительного диодного моста, подключенной к катушке электромагнита, в одном из плеч, образующих эту диагональ последовательно с диодом включен первый размыкающий контакт. В другом плече, смежном указанному плечу этой диагонали, последовательно с диодом включен ограничитель тока катушки электромагнита, шунтированный вторым размыкающим контактом.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами и диаграммами, где:
на фиг.1 представлена электрическая схема электромагнитного привода (в отключенном положении) со стабилитроном в качестве ограничителя тока катушки электромагнита;
на фиг.2 показано использование нелинейного резистора в качестве ограничителя тока катушки электромагнита;
на фиг.3 показан линейный резистор в качестве ограничителя тока катушки;
на фиг.4 представлена диаграмма напряжения, прикладываемого к катушке электромагнита: слева - при включении электромагнитного привода, справа - в длительном режиме удержания;
на фиг.5 представлена диаграмма тока в катушке электромагнита: слева - при включении электромагнитного привода, справа - в длительном режиме удержания.
Устройство (фиг.1) содержит:
1 - источник переменного напряжения;
2 - катушка электромагнита;
3, 4, 5, 6 - диоды,
7 - ограничитель тока катушки электромагнита;
8 - первый размыкающий контакт;
9 - второй размыкающий контакт;
10 - контакт.
На фиг.4 (справа) заштрихованная область, соответствует напряжению, прикладываемому к катушке электромагнита 2 в длительном режиме после размыкания первого 8 и второго 9 размыкающих контактов.
На фиг.4 обозначено:
m
U - амплитудное значение напряжения источника переменного напряжения 7;
1
U - напряжение ограничителя тока катушки электромагнита 7, соответствующее стабилитрону или нелинейному резистору;
0
t - момент замыкания включающего контакта 10;
3
4
t, t - начало и конец импульса напряжения на катушке электромагнита.
На фиг.5 обозначено:
0
t - момент замыкания включающего контакта 10;
1
t - момент остановки якоря электромагнита;
2
t - момент размыкания первого 8 и второго 9 размыкающих контактов;
1
2
i, i - минимальное и максимальное значение тока катушки электромагнита 2.
В устройстве (фиг.1) к источнику переменного напряжения 1 присоединен выпрямительный мост, образованный диодами 3, 4, 5 и 6. Одна диагональ выпрямительного моста присоединена к источнику переменного напряжения 7 через контакт 10. Другая диагональ выпрямительного моста присоединена к катушке электромагнита 2 Одна пара смежных плеч этой диагонали - с диодами 3 и 4 - шунтируют катушку электромагнита 2. Другую пару смежных плеч этой диагонали образуют диоды 5 и 6.
В плече выпрямительного диодного моста с диодом 5 включен последовательно первый размыкающий контакт 8, а в смежном плече, с диодом 6 включен последовательно ограничитель тока катушки электромагнита 7, шунтированный вторым размыкающим контактом 9. Диоды 3 и 4 выполняют функцию шунтирования катушки электромагнита в режиме удержания электромагнитного привода во включенном положении.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
2
1
При подаче оперативной команды на включение электромагнитного привода - замыкании контакта 10 - через диоды 3, 4, 5 и 6 выпрямительного диодного моста и первый 8 и второй 9 размыкающие контакты к катушке электромагнита проходят полностью выпрямленные полуволны. При этом электромагнит развивает максимальное тяговое усилие, превышающее суммарное усилие пружин отключения и поджатия контактов вакуумных дугогасительных камер (ВДК), производя включение электромагнитного привода и коммутационного аппарата. Через несколько миллисекунд после остановки якоря электромагнита - момент t (фиг.5) - отключаются первый 8 и второй 9 размыкающие контакты - в момент t. После этого к катушке электромагнита 2 начинают прикладываться срезанные полуволны напряжения источника переменного напряжения 1, дополнительно ограниченные падением напряжения на ограничителе тока катушки электромагнита 7. При этом ток проходит по катушке электромагнита через диод 6, ограничитель тока катушки электромагнита 7 и диод 4. При изменении полярности питания напряжение к катушке электромагнита 2 не подается. В этом длительном периодическом установившемся режиме при отрицательных полуволнах ток в катушке электромагнита спадает приблизительно по экспоненте через диоды 3 и 4 до минимального значения i. 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 контакта 10. При этом, в начальной стадии движения якоря электромагнита на отключение замыкаются первый 8 и второй 9 размыкающие контакты, подготавливая схему электромагнитного привода к следующему включению.
Первый размыкающий контакт 8 и ограничитель тока катушки электромагнита 7 со вторым размыкающим контактом 9 могут находиться в любом месте выпрямительного диодного моста, но взаимно должны находиться в смежных плечах диагонали этого моста, подключенной к катушке электромагнита.
Одним из достоинств, предложенного электромагнитного привода, является облегченная коммутация контактов вследствие пауз в цепи питания катушки электромагнита во время отрицательных полуволн.
При использовании нелинейного резистора в качестве ограничителя тока катушки электромагнита 7 (фиг.2) с независимой от тока характеристикой напряжения в рабочем диапазоне характер кривой напряжения будет аналогичен показанному варианту со стабилитроном (фиг.1). При использовании линейного резистора (фиг.3) кривая напряжения на катушке электромагнита 2 будет соответствовать полным полуволнам источника переменного периодического напряжения, но ограниченным падением напряжения на резисторе. Характер кривой тока будет одинаковым для всех типов ограничителей тока катушки электромагнита 7.
Предлагаемая полезная модель расширяет функциональные возможности электромагнитных приводов коммутационных аппаратов с ВДК, поскольку не только реализует возможность включения таких аппаратов на большие номинальные и ударные токи, требующие больших тяговых усилий электромагнита, но и позволяет удерживать электромагнитный привод во включенном положении при минимальном потреблении энергии.
Электромагнитные приводы коммутационных аппаратов с ВДК на средние напряжения и номинальные токи до (1000÷1600) А должны развивать большие усилия - (800÷1200) Н - во время включения в момент замыкания контактов ВДК при остающемся большом рабочем зазоре в электромагните привода. Это требование обеспечивается применением выпрямительного диодного моста, дающего максимальное использование мощности источника переменного периодического напряжения, в частности, источника промышленной частоты. При удержании электромагнитного привода во включенном положении рабочий зазор в электромагните минимален или равен нулю, при этом требуется небольшой ток намагничивания электромагнита для удержания привода во включенном положении. Полезная модель позволяет использовать часть выпрямительного диодного моста в режиме удержания с помощью дополнительного использования простых и надежных элементов: одного ограничителя тока катушки электромагнита в виде стабилитрона или линейного, или нелинейного резистора и двух размыкающих контактов, работающих в облегченном режиме. При этом существенно упрощается схема электромагнитного привода и вся его конструкция.
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.
Предлагаемое устройство успешно испытано на вакуумных контакторах и выключателях на 10 кВ и 1000А и при усилии поджатия контактов ВДК до 1200 Н.
Источники информации принятые во внимание при составлении заявки:
1. - Б.Э.Коц. «Электромагниты постоянного тока с форсировкой». «Энергия», 1973, с.9, рис.2, схема 3
2. - Патент RU 2195732 С2, МПК: H01F 7/18, Н01Н 47/32, опубликован. 22.12.2002.
3. - Патент RU 2074438 С1, МПК: Н01Н 33/42, Н01Н 33/66, Н01Н 33/59, опубликован 27.02.97.