ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к вакуумным выключателям с электромагнитным приводом и схемам управления им в циклах с автоматическим повторным включением (АПВ). Привод производит включение выключателя, взводит пружину отключения и поджимает пружины контактов вакуумных дугогасигельных камер (ВДК) с посадкой на защелку. Отключение выключателя производится указанными пружинами после сбивания защелки электромагнитом отключения или расцепителями.
В последнее время имеется тенденция к упрощению сложных механизмов расцепления приводов при аварийных отключениях за счет применения электронных быстродействующих схем управления электромагнитами включения и отключения, при этом устраняется основной недостаток электромагнитных приводов - инерционность спада тока и магнитного потока, а, следовательно, и сил, могущих продолжаться доли секунды, при требуемых при АПВ временах на один-два порядка меньше. Известно коммутирующее устройство (а.с. СССР №1252834, кл. Н01Н 47/32 1986 г.), в котором управление дистанционным переключателем осуществляется двумя катушками электромагнитов с помощью двух биполярных транзисторов n-р-n и р-n-р типов. При этом на базы транзисторов через RC цепочки подаются экспоненциально падающие сигналы управления, подаваемые от одного переключающего контакта.
Большими недостатками устройства являются: необходимость применения очень мощных транзисторов, работающих в усилительном, а не в насыщенном режимах, и невозможность применения в циклах АПВ из-за одного контакта управления.
То есть, такое устройство непригодно для быстродействующих выключателей на среднее напряжение с токами электромагнитов включения в десятки ампер и с временами в 30...40 миллисекунд, работающих в циклах АПВ.
Известен электромагнитный привод выключателей (патент РФ №2074438, кл. Н01Н 33/42; 33/66: 33/59, 1994 г.), содержащий основные элементы привода и вакуумного выключателя: ВДК, пружины поджатая, изоляционные тяги, общий на три фазы вал с рычагами, пружину отключения, электромагнит включения (ЭВ), поворачивающий вал через рычаг при включении, с якорем ЭВ связан выступ, управляющий блок-контактами в конце включения, и упор, фиксируемый в конце включения подпружиненной защелкой,
которая управляется электромагнитом отключения (ЭО). Питание катушки ЭВ осуществляется от источника постоянного или выпрямленного напряжения через электронный ключ. Вывод электромагнитной энергии из катушки ЭВ после обрыва тока электронным ключом осуществляется через диодно-резисторную цепочку, шунтирующую катушку.
Существенные недостатки привода: не раскрыта структура электронного ключа; вывод энергии из катушки малоэффективен - он максимален в начальный момент при максимальном токе, и падает с уменьшением тока, что увеличивает время отключения и уменьшает начальную скорость отрыва контактов ВДК, напряжение на электронном ключе определяется суммой напряжения питания и падением напряжения на резисторе, которое максимально в первый момент; установка переключающего блок-контакты выступа на якоре, имеющего обычно ход в 20...40 мм, малонадежна из-за необходимости установки большого запаса по ходу якоря при быстром спаде тока в катушке для обеспечения надежной посадки на защелку в конце включения, как из-за большого колебания питающего напряжения, так и из-за изменяющихся условий окружающей среды и электроизноса контактов ВДК; из конструкции неизвестно, как взаимодействуют цепи управления ЭВ и ЭО при АПВ, как осуществляется блокировка от несанкционированных повторных включений при действующих одновременно сигналах включения В и отключения О.
Известен электромагнитный привод коммутационного аппарата (патент РФ №2074430, кл. Н01Р 7/08, Н01Н 47/32, 1994 г.), выбранный за прототип, содержащий катушку электромагнита включения, шунтированную диодом; транзисторный ключ, на базе составного биполярного транзистора, переход коллектор-эмиттер которого шунтирован защитным элементом от перенапряжений, могущих возникнуть из-за запаздывания открытия шунтирующего диода; времязадающую RC цепочку и порогово-кпючевой элемент в виде динистора, к аноду которого присоединены: общая точка времязадающей цепочки непосредственно, а база транзистора - через диод; один из резисторов времязадающей RC цепочки шунтирован замыкающим контактом концевого переключателя, управляемого якорем электромагнита включения в конце включения; конденсатор питания цепей управления присоединен к источнику питания постоянного или выпрямленного напряжения через диод и резистор.
В прототипе, по сути, раскрыта структура электронного ключа управления электромагнитом включения второго аналога. Но ему присущи все недостатки этого аналога.
Предлагаемый электромагнитный привод позволяет устранить все отмеченные недостатки аналогов и прототипа и создать простую и надежную конструкцию привода и выключателя с большим быстродействием и сроком службы, минимальным потреблением энергии; заменить сложные медленно-действующие механические системы высокотехнологичными компактными быстродействующими электронными элементами, связи которых позволяют легко решить вопросы блокировок и мониторинга, удовлетворяющих всем требованиям к выключателям с АПВ.
Предлагаемый привод отличается тем, что в качестве транзисторов использованы биполярные транзисторы с изолированным затвором, переход коллектор-эмиттер включающего транзистора шунтирован поглотителем энергии, рассчитанным на полную энергию катушки включения, а затвор этого транзистора присоединен к первому делителю напряжения, состоящему из первого стабилитрона и второго резистора, подключенных свободным концом стабилитрона к общему минусу, а свободным концом второго резистора - к контакту включения, присоединенному к плюсу конденсатора питания; между конденсатором и резистором времязадерживающей RC цепочки включен первый дополнительный диод, у анода которого общая с резистором этой цепочки точка присоединена через второй дополнительный диод к порогово-ключевому элементу; затвор отключающего транзистора подключен к первой ступени второго делителя напряжения в виде второго стабилитрона и третьего резистора, образующего с четвертым резистором вторую ступень этого делителя напряжения, свободные концы которого подключены со стороны второго стабилитрона к общему минусу, а со стороны четвертого резистора через контакт отключения - к плюсу конденсатора питания, причем одна или обе ступени второго делителя напряжения шунтированы размыкающим контактом концевого переключателя, управляемого защелкой; общая точка второй ступени второго делителя напряжения через пятый резистор и третий дополнительный диод присоединена к катодам второго и второго дополнительного диодов и порогово-ключевому элементу, причем общая точка пятого резистора и третьего дополнительного диода через дополнительный конденсатор присоединена к общему минусу.
Порогово-ключевой элемент может быть выполнен в виде тиристора, к управляющему электроду которого подключены стабилитрон и резистор, другие концы которых подключены к минусу питающего конденсатора и аноду тиристора; порогово-ключевой элемент также может быть выполнен на триггерных микросхемах, например, в виде одновибратора или логики с тремя элементами И и одним НЕ; кроме того, схема
управления позволяет легко встроить датчик напряжения источника питания, размыкающий контакт которого включен последовательно с контактом включения, а замыкающий контакт этого датчика шунтирует второй делитель напряжения и контакт отключения. Сущность предлагаемого решения позволяет получить следующие положительные результаты: устранить главный недостаток электромагнитного привода - его инерционность, за счет быстрого обрыва тока во включающем электромагните высокотехнологичными электронными элементами и импульсным энергоемким поглотителем энергии, при этом исключаются сложные наименее надежные механические системы свободного расцепления, что значительно повышает срок службы привода и всего выключателя; схема управления приводом позволяет обеспечить минимальное время протекания тока короткого замыкания, полное включение выключателя с посадкой на защелку при АПВ благодаря применению микропереключателя с управлением от защелки, что обеспечивает отрыв и максимальную начальную скорость отключения подваривающихся контактов ВДК; привод обладает высокой надежностью даже при отказе концевого микропереключателя; привод легко обеспечивает все требуемые блокировки при АПВ, в том числе от повторных включений при одновременном действии сигналов включения и отключения; схема управления приводом обладает большими функциональными возможностями, позволяет легко встраивать элементы сигнализации и блокировок, частично может взять на себя систему релейной защиты; привод позволяет осуществлять быстрые многократные циклы АПВ.
Конструкция привода с элементами выключателя представлена на чертежах: на фиг.1a - конструкция с элементами схемы управления в отключенном положении привода и выключателя; на фиг.1б - то же во включенном положении; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема блока управления; на фиг.3 - диаграммы спада тока в катушке электромагнита включения после отключения включающего транзистора: (1) - для прототипа и второго аналога. (2) - для предлагаемого решения, (3) - то же с меньшей индуктивностью катушки, (4) - линия тока удержания; на фиг.4 - варианты выполнения порогово-ключевого элемента с внешней для них времязадающей RC цепочкой: а) одновибратора, б) триггерной цифровой логики с тремя элементами И и одним НЕ.
Электромагнитный привод выключателей (Фиг.1) содержит электромагнит включения (ЭВ) 1 с катушкой 2 и якорем 3, кинематически связанным с одним из рычагов 4, закрепленных на валу 5, с другими концами рычагов кинематически связаны изоляционные тяги 6 трех фаз выключателя, другие концы которых связаны с узлами поджатая 7, содержащими пружины поджатия 8, поджимающие контакты ВДК 9 во включенном
положении. Рычаг 4 подпружинен пружиной отключения 10. На якоре имеется упор 11, взаимодействующий с торцом 12 защелки 13 в конце включения. Упор 11 может быть закреплен не на якоре, а на одном из рычагов 4 или на валу. Подпружиненная пружиной 14 защелка ограничена в повороте: по часовой стрелке - упором 11. а против часовой стрелки - штоком 15 электромагнита отключения (ЭО) 16 с катушкой 17. Защелка 13 в отключенном положении привода давит на подпружиненный элемент 18 концевого переключателя 19 с замыкающим контактом 20 и размыкающим контактом 21. Концы этих контактов и катушек ЭВ и ЭО подключены к блоку управления 22, питающемуся от источника постоянного или выпрямленного напряжения.
В блок управления входят (Фиг.2): включающий 23 и отключающий 24 биполярные транзисторы с изолированным затвором (ЮВТ); контакты в цепях управления транзисторов: 25 - включения и 26 - отключения; конденсатор питания 27 цепей управления, подключенный плюсом к источнику питания через первый резистор 28 и первый диод 29 и имеющий общий минус с источником питания; затвор включающего транзистора 23 питается от первого делителя напряжения, состоящего из второго резистора 30 и первого стабилитрона 31; затвор отключающего транзистора 24 питается от второго двухступенчатого делителя напряжения, первую ступень которого образуют второй стабилитрон 32 и третий резистор 33, образующий с четвертым резистором 34 вторую ступень этого делителя; затвор транзистора 23 через второй диод 35 подключен к порогово-ключевому элементу, состоящему из порогового элемента - третьего стабилитрона 36 и ключевого элемента - тиристора 37, управляющий электрод которого соединен с общей точкой этого стабилитрона и шестого резистора 38, времязадающая RC цепочка состоит из резисторов 39 и 40 и конденсатора 41 и включенного между ними первого дополнительного диода 42, общая точка анода которого и резистора 40 через второй дополнительный диод 43 присоединена к порогово-ключевому элементу и катоду второго диода 35 в точке «а»; переход коллектор - эмиттер транзистора 23 шунтирован поглотителем энергии 44; общая точка «б» второй ступени второго делителя напряжения через пятый резистор 45 и третий дополнительный диод 46 подключена к порогово-ключевому элементу и катодам диодов 35 и 43 в точке «а», а общая точка резистора 45 и диода 46 присоединена через дополнительный конденсатор 47 к общему минусу, катушка 17 шунтирована цепочкой из резистора 48 и диода 49; резистор 50 шунтирует конденсатор 41; резисторы для снятия заряда с затворов транзисторов и защитные диодно-конденсаторные цепочки, шунтирующие
коллекторы после обрыва тока, не показаны; датчик 51 напряжения источника питания имеет размыкающий 52 и замыкающий 53 контакты.
При применении в качестве порогово-ключевого элемента интегральной микросхемы в виде одновибратора 54 (Фиг.4а) имеются дополнительные резистор 55 и конденсатор 57, дающие задержку для установки одновибратора, и согласующий резистор 56; на фиг.46 показана триггерная логическая микросхема 58 с тремя элементами И и одним элементом НЕ.
Привод работает следующим образом. При подаче команды на включение - замыкании контакта включения 25 (Фиг.2), включается транзистор включения 23, ток начинает протекать через катушку 2 электромагнита включения 1 (Фиг.1a), якорь 3 движется на втягивание (вниз на чертеже), вал 5 с рычагами 4 фаз поворачивается по часовой стрелке против пружины отключения 10, но с дополнительной помощью от атмосферного давления на сильфоны ВДК 9, тяги 6 и узел поджатая 7 двигаются вверх до замыкания контактов ВДК, после чего при дальнейшем движении начинают сжиматься пружины поджатая 8, создавая дополнительное нажатие на торцевые контакты ВДК, обеспечивающее их нормальную работу в длительном включенном режиме или необходимую скорость отключения при коротком замыкании. В конце включения при подходе якоря 3 к торцу корпуса магнитопровода ЭВ выступ 11 выходит из соприкосновения с защелкой 13 и образует с ее торцом 12 небольшой зазор (необходимый запас для установки привода на защелку). Под действием пружины 14 защелка поворачивается по часовой стрелке и торец 12 оказывается над выступом 11 (Фиг.1б), при этом подпружиненный элемент 18 переключает замыкающий контакт 20 и размыкающий контакт 21 конечного переключателя 19. С момента замыкания контакта 25 (Фиг.2) начинает заряжаться конденсатор 41 через резисторы 39 и 40 времязадающей RC цепочки. После замыкания контакта 20 ускоренно дозаряжается конденсатор 41 через одно сопротивление 39 до напряжения стабилизации стабилитрона 36 и на управляющем электроде тиристора 37 появляется напряжение, открывающее тиристор, при этом шунтируется затвор транзистора 23, который закрывается, обрывая ток катушки включения 2, накопленная электромагнитная энергия которой быстро гасится поглотителем энергии 44. Синхронно со спадом тока в катушке 2 падает магнитный поток в магнитопроводе (шихтованном) электромагнита 1 и сила, действующая на его якорь. Упор 11 упирается в торец 12 защелки 13, фиксируя привод и выключатель во включенном положении (Фиг.1б). Повторное включение привода после его отключения, например, от расцепителей максимального тока при коротком замыкании
возможно только после отключения контакта включения 25, закрытия тиристора и разряда конденсатора 41 на резистор 50, что важно в циклах АПВ
Отключение привода осуществляется при замыкании контакта отключения 26 (Фиг.2) (контакт 21 разомкнут). При этом идут два процесса: открывается транзистор 24 и ток начинает протекать через катушку 17 ЭО, на срабатывание которой необходимо 15...20 миллисекунд, и одновременно начинает заряжаться конденсатор 47 до напряжения открытия тиристора 37 за несколько миллисекунд, блокируя при этом открытие транзистора 23 при наличии сигнала на включение (при замкнутом контакте 25). Напряжение на второй ступени второго делителя напряжения (в точке «б») выше напряжения открытия тиристора 37 (в точке «а»), которое выше напряжения затвора при насыщении транзистора 23 с некоторым запасом. Обычно для IGBT транзисторов напряжение на затворе берется в 15...20 В, что обеспечивает работу транзистора в ключевом насыщенном режиме. После срабатывания электромагнита отключения 16 защелка 13 (Фиг.1б) поворачивается против часовой стрелки, освобождая упор 11, при этом поворачиваются против часовой стрелки вал 5 и рычаги 4, тяги 6 и узлы поджатия 7 идут вниз. Упомянутые подвижные детали разгоняются под действием пружин поджатия 8 и отключающей пружины 10 и бьют узлом поджатия по подвижным контактам ВДК, отключая их. После размыкания контактов дальнейшее движение подвижных частей идее за счет кинетической энергии и под действием пружины отключения; действие атмосферного давления на сильфоны ВДК подтормаживает движение подвижных частей привода и выключателя. В конце отключения торможение и фиксация привода и выключателя осуществляются обычно демпфером (на чертежах не показан). Привод и выключатель удерживаются в отключено положении пружиной отключения 10. После сбивания электромагнитом 16 защелка 13 через элемент 18 размыкает контакт 20 и замыкает контакт 21 (Фиг.1a), при этом шунтируется затвор транзистора 24 (Фиг.2), который отключает питание катушки 17; накопленная этой катушкой электромагнитная энергия разряжается на сопротивлении катушки и резисторе 48. Здесь не требуется жестко и быстро обрывать ток. Достаточно, чтобы якорь этого электромагнита вернулся в отключенное состояние за время бестоковой паузы выключателя, равной 0,3 секунды для выключателей с АПВ.
Скорость спада тока и силы тяги в катушке электромагнита включения зависят, Прежде всего, от допустимого напряжения на коллекторе транзистора и на поглотителе энергии, величины тока в катушке в момент его обрыва, индуктивности катушки, зависящей от степени насыщения железа в магнитопроводе и его выполнение шихтованным или
литым, что сильно влияет на вихревые токи, задерживающие спад силы. Лучше всего эти процессы оптимизируются предлагаемыми здесь биполярными транзисторами с изолированным затвором, пропускающими токи в десятки ампер при восстанавливающемся напряжении на коллекторе свыше 1000 В.
Н фиг.3 показана диаграмма спада тока в электромагните включения, где за исходные данные взяты: обрываемый ток в 30А и поглотитель энергии в виде нелинейного резистора на базе двуокиси цинка с ограничивающим напряжением 625 В. Кривая 1 соответствует схеме аналога и прототипа при индуктивности 0,3 Гн; кривая 2 соответствует предлагаемому решению с той же индуктивностью; кривая 3 соответствует индуктивности 0,1 Гн (при обрыве тока) и сопротивлению катушки 7 Ом (испытанный выключатель на 10 кВ, номинальный ток 1000 А, номинальный ток отключения 20 кА).
Горизонтальная прямая соответствует току удержания, то есть току, создающему усилие электромагнита, равное усилиям пружин поджатая и отключающей пружины. Важным является факт посадки привода на защелку в момент обрыва тока, который определяет начальную скорость размыкания контактов ВДК и их отрыв из-за возможного приваривания. Как видно из кривой 3, достаточно иметь время задержки упора на защелке всего в несколько миллисекунд, что обеспечивает высокое быстродействие выключателя. Предлагаемый привод решает эту задачу за счет применения мощных IGBT транзисторов, энергоемких нелинейных резисторов, рассчитанных на поглощение всей энергии катушки, и за счет управления конечным переключателем от защелки.
Спад тока в прототипе и аналоге определяется выражением (1):
(1) ;
где u - напряжение питания, постоянная времени τ=L/R, r - сопротивление катушки, L - индуктивность катушки, R - суммарное сопротивление катушки и дополнительного сопротивления, шунтирующего катушку.
В предлагаемом решении ток спадает по выражению (2):
(2),
o
n
где i - обрываемый ток, который практически будет меньше (u/r) из-за обрыва тока концевым переключателем, управляемым от защелки, u - напряжение на нелинейном резисторе.
Второй член в (2) показывает эффективность повышения напряжения на коллекторе транзистора и нелинейном резисторе.
Желание снизить потребляемый электромагнитом ток при сохранении намагничивающей силы, что важно при использовании для питания накопителя энергии, требует увеличения числа витков катушки, что ведет к значительному увеличению индуктивности. В этом случае применение предлагаемого решения еще более эффективно по сравнению с аналогом и прототипом.
Использование вместо нелинейного резистора (с мало изменяющимся на нем напряжением в зависимости от тока) цепочки из резистора и конденсатора потребует применения импульсного конденсатора больших габаритов.
В случае отказа в переключении контакта 20 концевого переключателя ток в транзисторе все равно будет оборван, но с некоторой задержкой при заряде конденсатора 41 через оба резистора 39 и 40 до напряжения открытия тиристора 37, как описано выше. Диод 35 отделяет затвор транзистора 23 от RC цепочки, обеспечивая рост напряжения на конденсаторе 41; диод 43 обеспечивает крутой фронт сигнала включения. Переменный резистор 39 позволяет настраивать времязадающую RC цепочку на минимальное время дозаряда конденсатора 41 после переключения защелки. Применение в предлагаемом решении тиристора и стабилитрона вместо динистора целесообразно из-за большого разброса напряжения открытия динисторов.
Из-за малых токов управления транзисторами и малых перемещений защелки целесообразно использовать в качестве концевого переключателя микропереключатель, имеющий ход 3...5 мм.
Блокировка от повторных включений привода и выключателя при одновременном действии сигналов В и О осуществляется после полного включения привода и выключателя и последующего их отключения: блокирование сигнала повторного включения,
осуществляется подпиткой открывшегося тиристора 37 через контакт включения 25, резистор 30 и диод 35 и через резисторы 39 и 40 и диод 43. Так же осуществляется отключение привода и выключателя при включении на короткое замыкание. Если предъявляется требование не пропускания сигнала на включение при подаче сигнала на отключение, достаточно размыкающим контактом 21 шунтировать первую ступень второго делителя напряжения, то есть, шунтировать затвор транзистора 24.
Предлагаемая электрическая схема управления приводом позволяет легко осуществить контроль питающего привод напряжения, то есть встроить расцепитель
минимального напряжения. Для этого достаточно иметь датчик напряжения в виде маломощного реле 51 с размыкающим контактом 52, включенным последовательно с контактом включения, и замыкающим контактом 53, шунтирующим обе ступени второго делителя напряжения - резисторы 33 и 34 и контакт отключения 26. При пропадании напряжения на источнике питания и, следовательно, на катушке реле, оно отключится и замкнет контакт 53 и включит транзистор 24, который пропустит ток через катушку 17 от конденсатора питания 27, отделенного от источника питания диодом 29, и отключит привод. Разомкнувшийся контакт 52 не позволит произвести включение при пониженном напряжении питания. Схема вернется в рабочее состояние при включении реле 51, то есть, при подъеме напряжения на источнике питания до нужного значения.
При отказе контакта 21 при включении (он останется замкнутым) привод можно отключить дистанционно, если предусмотреть замыкающий контакт, параллельный контакту 53.
Схема позволяет встроить расцепитель максимального тока, если предусмотреть замыкающий контакт в этом расцепителе и установить его параллельно контакту отключения 26.
Как показали испытания упомянутого выключателя, время замкнутого состояния выключателя в цикле ВО составляет всего 15...20 миллисекунд, что позволяет быстро защитить объект потребления электроэнергии при коротком замыкании.