АВТОМАТИЧЕСКИЙ ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Автоматический выключатель постоянного тока относится к электрическим коммутационным аппаратам. Предназначен для защиты электрических сетей постоянного тока от перегрузок.
Известны автоматические выключатели с различными типами электронных расцепителей, предназначенные для защиты от аварий в электрических сетях переменного тока. Традиционные автоматические выключатели, включающие датчики тока, электронный блок и механизм свободного расцепления, контролируют переменный ток, наводящийся во вторичной обмотке вокруг основной шины. При достижении критического уровня тока, а в некоторых случаях и по истечении некоторого времени после этого, механизм свободного расцепления контактов размыкает электрическую цепь, предотвращая повреждение оборудования, подключенного к сети.
Например, известен автоматический выключатель переменного тока [RU 2160478 Однофазный автоматический выключатель переменного тока с динамическим отключением/ Патентообладатель/ - Кузнецов В.В., Муха А.Л., Прохоров М.А., Шумун Н.М.]. Выключатель предназначен для ускоренного отключения токов короткого замыкания и токов перегрузки электротротяговой сети переменного тока. Выключатель оборудован блоком памяти среднего значения тока и выпрямительным устройством, соединенными с датчиком тока и катушкой выключателя.
Недостатком известного устройства является сокращение эксплуатационных возможностей вследствие невозможности работы в сетях постоянного тока.
Прототипом автоматического выключателя является датчик тока в силовой шине [RU 2057654 Датчик тока в силовой шине // Патентообладатель - Хоменко А.И., Рябцев Г.Г.]. Известный датчик тока включает ферромагнитный замкнутый сердечник с двумя воздушными зазорами. В зазорах установлены ферритовая прокладка и преобразователь Холла. Выход преобразователя Холла соединен через усилитель и источник тока с обмоткой обратной связи, размещенной на сердечнике. Шина силового тока жестко соединена с калибровочной токопроводящей пластиной. Датчик работает от автономного источника питания.
Недостатком прототипа является сокращение эксплуатационной надежности. Ограниченный срок службы автономных источников питания, необходимость своевременной смены в течение длительной - до 20 лет - эксплуатации, обусловливает сокращение эксплуатационной надежности датчика тока.
Задачей полезной модели является повышение эксплуатационной надежности автоматических выключателей с электронными расцепителями при работе в сетях постоянного тока, и, в итоге, повышение безопасности электрических сетей постоянного тока.
Задача решается тем, что автоматический выключатель постоянного тока, включающий магнитопровод с магнитопроводным элементом в воздушном зазоре, охватывающий основную шину, вторичную обмотку, и электронную схему расцепителя, в котором, согласно полезной модели, магнитопровод выполнен из двух половин желобообразного сечения в зазоре, соединенных подвижным узлом с возможностью изменения величины зазора, а магнитопроводный элемент выполнен в виде капсулы с ферромагнитной жидкостью, помещенной с возможностью перемещения внутри капсулы.
Капсула выполнена из неэлектропроводного и немагнитопроводного материала и заполнена ферромагнитной жидкостью и газом. Подвижный узел половин магнитопровода выполнен в виде шарнира и пружины растяжения или пружины сжатия.
Техническим результатом полезной модели является, размещение в зазоре магнитопровода капсулы с ферромагнитной жидкостью помещенной с возможностью перемещаться по капсуле, что обусловливает следующее.
Во-первых, наведение переменного тока во вторичной обмотке, соединенной с электронной схемой расцепителя, придание вторичной обмотке свойств источника питания электронной схемы, что создает возможность работы автоматических выключателей в сетях постоянного тока без применения специальных элементов питания.
Во-вторых, возможность использования слабых пульсаций постоянного тока и приведение системы в состояние двойного электрического резонанса - резонанса двух резонансных магнито-механических колебательных систем - магнитопровода с механической пружиной и ферромагнитной жидкости с пневматической пружиной в капсуле.
Техническим результатом также является использование ферромагнитной жидкости, которая по химическим свойствам относится к коллоидным растворам, устойчивость которых препятствует смешиванию с газом в капсуле.
Техническим результатом также является выполнение сечения зазора магнитопровода желобообразным, что способствует надежности положения капсулы в пределах зазора.
Автоматический выключатель низковольтный постоянного тока представляет собой один или более датчиков тока, электронный расцепитель и электронную схему.
Автоматический выключатель постоянного тока изображен на эскизе.
Автоматический выключатель состоит из основной шины 1, магнитопровода 2, вторичной обмотки 3, электронной схемы расцепителя 4, капсулы 5 с ферромагнитной жидкостью. Магнитопровод 2 охватывает основную шину 1, выполняет функцию обмотки и является сердечником для вторичной обмотки 3. Магнитопровод 2 выполнен с зазором в виде симметричных относительно шины 1 двух половин, соединенных
подвижным узлом с возможностью изменения величины зазора. Сечение магнитопровода 2 в зазоре выполнено профильным - желобообразной формы. Капсула 5 установлена в зазоре магнитопровода 2, так, как это показано на эскизе. Капсула 5 выполнена из неэлектропроводного материала, например, из пластмассы, в форме герметичной капиллярной ампулы. Капсула наполнена газом, например, воздухом, и ферромагнитной жидкостью. Ферромагнитная жидкость представляет собой коллоидную систему из ферромагнитных частиц в жидкости, например, в керосине. Объем газа превышает объем ферромагнитной жидкости не менее чем в 5 раз. Ферромагнитная жидкость расположена в одном из концов капсулы 5. Длина капсулы не менее длины поперечного сечения магнитопровода. Подвижный узел датчика тока представляет собой, например, шарнир 6 и пружину 7. Пружина 7 может быть пружиной сжатия или пружиной растяжения.
Автоматический выключатель постоянного тока работает следующим образом.
По основной шине 1 проходит постоянный ток. Под действием магнитного поля, создаваемого током, притягиваются половины магнитопровода 2, перемещаясь на шарнире 6 и деформируя пружину 7. Уменьшается зазор между половинами магнитопровода 2. Сила притяжения половин магнитопровода уравновешивается силой деформации пружины 7. Величина смещения половин магнитопровода пропорциональна силе протекающего тока. Возникает равновесие между силой деформации пружины и силой притяжения половин магнитопровода пропорциональное величине тока.
Постоянный ток имеет слабые пульсации частотой 150 или 300 герц, которые вызывают механические колебания половин магнитопровода 2 и изменение величины зазора в зависимости от величины тока. Жесткость пружины 7 и масса половин магнитопровода соответствует условию совпадения частот - возникновению резонанса - пульсаций постоянного тока
и собственной частоты механических колебаний магнитопровода, вычисляемой по формуле:
рез
1
1
f=1/2π√c/m,
где,
рез
f - круговая частота колебаний магнитопровода резонансная, герц;
1
c - жесткость пружины, Н/м;
1
m - масса двух половин магнитопровода, кг.
Изменение величины воздушного зазора вызывает изменение величины магнитного потока в контуре магнитопровода 2. Это наводит во вторичной обмотке 3 ЭДС индукции, вычисляемую по формуле:
ε=fФw,
где,
ε - наведенная электродвижущая сила ЭДС, В;
fФ - изменение магнитного потока, Вб;
w - число витков вторичной обмотки.
Наведенная во вторичной обмотке 3 ЭДС обеспечивает питанием электронную схему 4 и одновременно измеряется электронной схемой 4 для оценки величины контролируемого тока шины 1.
При определенной величине тока в шине 1 и, следовательно, при величине индукции магнитного потока в зазоре, ферромагнитная жидкость перемещается и устанавливается в центральной части внутри капсулы 5, сжимая газ. Сжатый газ выполняет функцию пневматической пружины, потенциальная энергия которой направлена на перемещение ферромагнитной жидкости в исходное положение. Жесткость пневматической пружины в капсуле принимает значение, обеспечивающее совпадение частоты пульсаций постоянного тока и собственных колебаний воздушной пружины вычисляемой по формуле:
рез
2
2
f=1/2π√c/m,
где,
рез
f - круговая частота колебаний ферромагнитной жидкости резонансная, герц;
2
c - жесткость (упругость) пневмопружины, Н/м;
2
m - масса ферромагнитной жидкости, кг.
Расположение ферромагнитной жидкости в центре капсулы 5 и, соответственно, в центральной части зазора магнитопровода 2 увеличивает магнитное сопротивление зазора и обусловливает усиление магнитного потока через магнитопровод 2.
Изменение магнитного потока в магнитопроводе 2 обусловливает колебание тока во вторичной обмотке 3. Во вторичной обмотке возникает переменный ток, обеспечивающий работу электронной схемы расцепителя 4.
Образуется резонанс двух резонансных магнито-механических колебательных систем - магнитопровода 2 с механической пружиной 7 и ферромагнитной жидкости с пневматической пружиной в капсуле 5.
Частота резонанса магнитопровода с механической пружиной не зависит от величины тока. Частота резонанса ферромагнитной жидкости с пневматической пружиной в капсуле 5 определяется величиной перемещения ферромагнитной жидкости в центр капсулы 5 и зависит от величины тока в шине 1, достигая частоты, совпадающей с частотой резонанса магнитопровода 2 с механической пружиной 7.
Совпадение частот двух резонансных систем вызывает резкое увеличение амплитуды колебаний магнитного потока в зазоре магнитопровода 2 при протекании в шине 1 тока перегрузки.
Усиливается амплитуда механических колебаний половин магнитопровода 2 и колебания магнитного потока. Усиливается ЭДС вторичной обмотки, что служит сигналом для электронной схемы расцепителя.
Взаимное влияние магнито-механических колебательных систем осуществляется через изменение зазора между половинами магнитопровода 2. Уменьшение зазора вызывает увеличение магнитной индукции в зазоре,
что приводит к увеличению усилия перемещения (втягивания) ферромагнитной жидкости по капсуле 5. В свою очередь, перемещение (втягивание) ферромагнитной жидкости и увеличение массы магнитной жидкости в зазоре способствует возрастанию величины магнитного потока в зазоре, что усиливает притяжение половин магнитопровода 2 и сжатие механической пружины 7. Обратная полуволна колебаний, в сторону увеличения зазора под действием сжатой механической пружины 7 вызывает ослабление магнитной индукции в зазоре, выталкиванию магнитной жидкости из зазора, что приводит к еще большему ослаблению магнитной индукции. В дальнейшем процессы повторяются.
В соответствии с задающими настройками электронной схемы 4, расцепитель размыкает цепь. Так осуществляется защита электрической цепи от перегрузки по току.
При возникновении в цепи тока короткого замыкания, происходит резкое увеличение магнитного потока в магнитопроводе 2. В результате происходит быстрый рост амплитуд («раскачка») механических колебаний резонансных систем и, соответственно, быстрый рост пульсаций магнитного поля в зазоре и магнитопроводе 2. Во вторичной обмотке 3 наводится ЭДС, достаточная для обеспечения питания электронной схемы 4 и выработки сигнала для работы расцепителя и аварийного отключения автоматического выключателя.