БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА

Предлагаемая полезная модель относится к электромагнитным приводам коммутационных аппаратов постоянного тока с большим включающим током и не большим удерживающим током. В подобных электромагнитных приводах обычно требуется форсировка тока управления при включении привода. Одним из способов форсировки тока управления электромагнитным приводом является шунтирование добавочного сопротивления, включаемого последовательно с катушкой электромагнита, конденсатором, который увеличивает ток управления катушкой электромагнита в течение времени заряда этого конденсатора. (А.А.Чунихин, Электрические аппараты, М.: Энергоатомиздат, с.230, рис.5.23, а). Однако ток форсировки не является при этом оптимальным, так как он убывает по мере заряда шунтирующего конденсатора, что требует завышения мощности источника питания, а после заряда конденсатора напряжение питания делится между активным сопротивлением катушки электромагнита и добавочным активным сопротивлением. И то и другое приводит к повышению потерь в электромагнитном приводе.
Известен также способ управления электромагнитным приводом коммутационного аппарата (см. патент РФ 2074430, H 01 F 7/08, Н 01 Н 47/32, 1997), в котором форсировка осуществляется путем шунтирования транзистором добавочного резистора, включенного последовательно с катушкой электромагнита, при этом конец интервала времени шунтирования добавочного резистора транзистором определяется либо временем заряда конденсатора в цепи управления транзистора, либо временем срабатывания концевого замыкающего ^контакта при включении электропривода. В этом аналоге после запирания транзистора напряжение питания также делится между активным сопротивлением катушки и добавочным сопротивлением, причем основная часть напряжения, как и в ранее рассмотренном аналоге, прикладывается к добавочному сопротивлению, что приводит также к большим не рациональным потерям в электромагнитном приводе
в удерживающем режиме. При отключении транзистора накопленная в катушке электромагнитная энергия расходуется в активном сопротивлении катушки через шунтирующий ее диод. Таким образом, и в данном аналоге имеет место тот же главный недостаток, заключающийся в непроизводительном расходовании электроэнергии.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели аналогом, который выбран в качестве прототипа, является устройство форсированного электромагнитного привода коммутационного аппарата (патент №2195732, H 01 F 7/18, Н 01 Н 47/32 от 27.12.02). В этом патенте регулирование тока управления электромагнитного привода осуществляется за счет введения двухпозиционного переключателя, который обеспечивает подключение управляющего электрода транзистора, соединенного последовательно с зашунтированной диодом катушкой электромагнита, либо к источнику питания привода, либо к выходу генератора прямоугольных импульсов, при этом упомянутый генератор выполнен с широтно-импульсной модуляцией. Применение широтно-импульсной модуляции в прототипе для регулирования тока удержания электромагнита позволяет существенно снизить потери в электромагнитном приводе.
Однако наряду с указанными достоинствами в устройстве прототипа имеются следующие недостатки.
Во-первых, пониженная надежность привода, а именно: отказ в работе транзистора, двухпозиционного ключа, таймера или генератора прямоугольных импульсов может привести к отказу в операции снятия напряжения с катушки электромагнита, если не удается закрыть транзистор, следовательно, к отказу в операции отключения коммутационного аппарата, что может приводить к серьезным авариям в силовой сети коммутационного аппарата, которую он и должен защищать, особенно в аварийных режимах короткого замыкания нагрузки. Во-вторых, в прототипе не раскрыта система ШИМ-модуляций генератора прямоугольных импульсов. В третьих, в прототипе привод не может отключить быстро коммутационный аппарат, так как при снятии напряжения питания с катушки электромагнита ток будет медленно снижаться, протекая по цепи катушка - шунтирующий диод, при этом чем меньше активное сопротивление катушки, которое необходимо уменьшать для снижения потерь в катушке, тем дольше будет
протекать спадающий по экспоненциальному закону ток катушки и тем больше будет время отключения аварийного режима короткого замыкания в силовой цепи коммутационного аппарата. В четвертых, в прототипе нет устройств ускоренного обнаружения момента возникновения тока короткого замыкания нагрузки. В пятых, при очень большой разнице пускового и удерживающего токов электромагнита привода затруднительно сформировать указанные токи только за счет ШИМ - модуляции. Предлагаемая полезная модель позволяет устранить все отмеченные недостатки прототипа.
Технический результат от полезной модели заключается в том, чтобы увеличить надежность и экономичность работы привода, уменьшить время отключения коммутационного аппарата, уменьшить время обнаружения аварийного режима короткого замыкания нагрузки.
По п.1 формулы предлагаемый привод (фиг.1) содержит известные элементы: зашунтированную первым диодом 4 катушку 3 электромагнита привода с сердечником и якорем и первый транзистор 5 с блоком управления БУ, при этом первый транзистор 5 управляется от блока управления БУ.
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что дополнительно введены второй диод 9 и первый трансформатор 6, последовательно с первичной обмоткой 7 которого соединен упомянутый первый транзистор 5; при этом к вторичной обмотке 8 первого трансформатора 6 подсоединена через второй диод 9 катушка 3 электромагнита привода. Это позволяет существенно увеличить надежность работы электропривода при отключении, особенно наиболее тяжелого режима короткого замыкания нагрузки. Действительно, в предлагаемом приводе отказ блока управления, транзистора или трансформатора не приводит к неотключению привода, что особенно важно в режиме короткого замыкания.
По п.2 формулы для ускорения выключения в предлагаемом приводе (фиг.2) последовательно с вторым диодом 9 во вторичной цепи первого трансформатора 6, через который подается напряжение на катушку 3 электромагнита привода, включен дополнительно введенный второй транзистор 15, который управляется от этого же первого трансформатора 6. Поэтому при прекращении высокочастотных колебании запирается второй транзистор 15, автоматически прекращается поступление напряжения на катушку 3 электромагнита привода, в результате чего
последний выключается, а для снижения перенапряжения на упомянутой катушке 3 она зашунтирована дополнительно введенным диодно-конденсаторным контуром 19, 18. Это позволяет существенно сократить время выключения аварийного режима при поступлении сигнала об этом режиме от блока управления БУ.
По п.3 формулы для сокращения времени обнаружения короткого замыкания нагрузки в предлагаемом приводе (фиг.3) дополнительно введены пусковое устройство ПУ, которое может состоять из первого усилителя У1, пусковой кнопки П и нормально замкнутых блок-контактов БКЗ, а также датчик напряжения ДН и второй усилитель У 2, управляющий первым транзистором 5, включенным последовательно с первичной обмоткой 7 первого трансформатора б, питающего катушку 3 электромагнита привода, при этом управление упомянутого первого транзистора 5 в пусковом режиме осуществляется от первого усилителя У1 пускового устройства ПУ, который получает напряжение питания через пусковую кнопку П и нормально замкнутые третьи блок-контакты БКЗ, при этом управление первым У1 и вторым У2 усилителями при замкнутом остановочном ключе С блока управления БУ осуществляется от импульсного задающего генератора ЗГ блока управления БУ. При коротком замыкании нагрузки на ней исчезает напряжение, прекращается поступление питающего напряжения на упомянутый второй усилитель У2, прекращается управление первым транзистором 5, прекращается поступление напряжения на катушку 3 электромагнита привода и происходит ускоренное его выключение, так как исчезновение напряжения на нагрузке при обычно встречающемся активно-индуктивном характере силовой сети происходит быстрей, чем нарастание по экспоненциальному закону тока нагрузки до значения тока уставки. 1
По п.4 формулы для оптимизации режима питания катушки электромагнита привода в условиях значительных колебаний напряжения сети питания собственных нужд, от которой обычно запитывается электропривод, в предлагаемом приводе (фиг.4) по сравнению с приводом, изображенном на фиг.1, введены второй трансформатор 16, второй транзистор 15 и резистор 19, при этом первичная обмотка 17 упомянутого второго трансформатора 16 включена последовательно с резистором 19 и вторым транзистором 15, управляемым от импульсного задающего генератора ЗГ, блока управления БУ, а вторичная обмотка
п
18 второго трансформатора 16 подсоединена к цепи управления первого транзистора 5. При возрастании напряжения Е сети питания собственных нужд сокращается время намагничивания второго трансформатора 16, уменьшается длительность передаваемого на вторичную обмотку 18 второго трансформатора 16 импульса, что при неизменной частоте формирования импульсов ЗГ вызывает уменьшение среднего значения напряжения как на первичной 7, так и на вторичной 8 обмотках первого трансформатора 6, компенсируя тем самым увеличение питающего напряжения Ед.
По п.5 формулы для оптимизации режима питания катушки 3 электромагнита привода с учетом изменяющегося активного сопротивления провода упомянутой катушки 3 электромагнита при изменении температуры окружающей среды в предлагаемый привод (фиг.5) дополнительно введены вторая 20 и третья 21 вторичные обмотки второго трансформатора 16, нормально замкнутые третьи блок-контакты БКЗ, нормально разомкнутые четвертые блок-контакты БК4, третий 22 и четвертый 23 диоды, при этом постоянный ток катушки 3 электромагнита привода пропускается либо через вторую вторичную обмотку 20 второго трансформатора 16 при пуске, либо через третью вторичную обмотку 21 того же трансформатора 16 в удерживающем режиме, что определяется блок-контактами БКЗ и БК4, при этом чем больше постоянный ток, тем быстрей происходит насыщение второго трансформатора 16, при этом уменьшается длительность импульса как на обмотках второго 16, так и на обмотках первого 6 трансформаторов, а это приводит к уменьшению напряжения, поступающего на катушку 3, а следовательно и к уменьшению ее тока, то есть происходит стабилизация тока упомянутой катушки 3, при этом первая дополнительная вторичная обмотка 20 имеет меньшее число витков и обеспечивает стабилизацию тока при включении привода, а вторая обмотка 21 - большее число витков и обеспечивает стабилизацию тока в установившемся удерживающем режиме. Блок-контакты БКЗ и БК4 могут быть заменены любыми управляемыми ключами.
На фиг.6 и 7 приведены варианты привода с параметрической форсировкой тока при включении привода, при этом в приводе по п.6 формулы, изображенном на фиг.6, форсировка достигается уменьшением числа витков первичной обмотки первого трансформатора 6, а в приводе, изображенном на фиг.7, форсировка
достигается увеличением числа витков вторичной обмотки того же первого трансформатора 6. Для этого в варианте привода, изображенного на фиг.6, дополнительно введены второй транзистор 15, третий 16 и четвертый 17 диоды, вторая первичная обмотка 18 и третьи нормально замкнутые блок-контакты БКЗ, при этом в пусковом режиме второй транзистор 15 обеспечивает работу первого трансформатора 6 при уменьшенном количестве витков первичной обмотки 18, а в удерживающем режиме первый транзистор 5 обеспечивает работу упомянутого первого трансформатора 6 при увеличенном количестве витков первичной обмотки 18,7.
В варианте привода по п.7 формулы, изображенного на фиг.7, дополнительно введены третий диод 15, третьи нормально замкнутые блок-контакты БКЗ и вторая вторичная обмотка 16, при этом третьи нормально замкнутые блок-контакты БКЗ в пусковом режиме обеспечивают работу первого трансформатора 6 с увеличенным количеством витков вторичной обмотки 8, 16, а в удерживающем режиме - с уменьшенным количеством витков вторичной обмотки 8 того же трансформатора 6. Оба последних варианта целесообразно применять при очень большой разнице между пусковым током привода и его удерживающим током, так как в этом случае сложно скомпенсировать эту разницу одним широтно-импульсным или частотно-импульсным регулированием. В обоих последних вариантах блок-контакты привода могут быть заменены любыми управляемыми ключами.
п
Таким образом, в предлагаемой полезной модели увеличивается надежность привода, его быстродействие, эффективность Пусковых и установившихся режимов, то есть происходит сокращение расхода электроэнергии при колебаниях питающего напряжения Е и изменениях активного сопротивления катушки 3 электромагнита привода.
В состав варианта привода, изображенного на фиг.1, входят: выводы 1, 2 неподвижных контактов для подсоединения к сети питания собственных нужд, катушка 3 электромагнита привода, первый диод 4, первый транзистор 5, первый трансформатор 6 с первичной 7 и вторичной 8 обмотками и второй диод 9, а также блок управления БУ, который может содержать кинематически связанные с якорем электромагнита привода нормально-разомкнутые БК1 и номально-замкнутые БК2
п
п
п
блок-контакты, пусковую кнопку П, остановочный ключ С, импульсный задающий генератор ЗГ, форсирующее устройство ФУ (форсирующее устройство ФУ в простейшем виде может представлять резистор, который на время включения привода подсоединяется параллельно к резистору время - задающей цепи импульсного задающего генератора ЗГ и, уменьшая постоянную времени этой цепи, увеличивает частоту формирования импульсов упомянутого задающего генератора ЗГ), датчик ДТ тока нагрузки, при этом к первому выводу 1 для подсоединения к первому - положительному полюсу +Е сети питания собственных нужд подсоединены первые выводы первичной обмотки 7 первого трансформатора 6, пусковой кнопки П и первых нормально разомкнутых блок-контактов БК1 блока управления БУ, при этом второй вывод упомянутой обмотки 7 соединен с первым выводом (коллектором) первого транзистора 5, второй вывод которого (эмиттер) соединен с вторым выводом 2 для подсоединения к второму -отрицательному полюсу -Е сети питания собственных нужд, при этом вторые выводы упомянутой пусковой кнопки П и первых нормально разомкнутых блок-контактов БК1 блока управления БУ соединены с первым выводом остановочного ключа С, второй вывод которого соединен с первым выводом 10 для подвода напряжения питания импульсного задающего генератора ЗГ, второй вывод 11 для подвода напряжения питания которого соединен с вторым выводом 2 для подсоединения к второму - отрицательному полюсу -Е сети питания собственных нужд, при этом к входным выводам 12 импульсного задающего генератора ЗГ через вторые нормально замкнутые блок-контакты БК2 подсоединено форсирующее устройство ФУ, к входным выводам 13 упомянутого генератора ЗГ подсоединены выходные выводы датчика ДТ тока нагрузки, а выходные выводы 14 упомянутого генератора ЗГ подсоединены к входным выводам (управляющему электроду и эмиттеру) первого транзистора 5, при этом первый вывод вторичной обмотки 8 первого трансформатора 6 соединен с анодом второго диода 9, катод которого соединен с катодом первого диода 4 и первым выводом катушки 3 электромагнита привода, а вторые выводы упомянутых вторичной обмотки 8 и катушки 3 электромагнита привода соединены с анодом первого диода 4.
В состав варианта привода, изображенного на фиг.2, дополнительно кроме элементов, приведенных на фиг.1, входят: второй транзистор 15, выпрямительный
8 мост 16, третий диод 19, конденсатор 18, первый резистор 20 и вторая вторичная обмотка 17 первого трансформатора 6, при этом катоды первого 4 и второго 9 диодов соединены с коллектором второго транзистора 15, эмиттер которого соединен с общей точкой первых выводов конденсатора 18, первого резистора 20 и катушки 3 электромагнита привода, при этом вторые выводы конденсатора 18 и резистора 20 соединены с катодом четвертого диода 19, анод которого соединен с вторым выводом катушки 3 электромагнита привода, при этом первый и второй выводы второй вторичной обмотки 17 трансформатора 6 соединены с входными выводами переменного тока выпрямительного моста 16, выходные выводы постоянного тока которого подсоединены к входным выводам (управляющему электроду и эмиттеру) второго транзистора 15.
п
В состав варианта привода, изображенного на фиг.3, кроме элементов, приведенных на фиг.1, входят: пусковое устройство ПУ, которое может состоять из нормально-замкнутых блок-контактов БКЗ, пусковой кнопки П и первого усилителя У1, второй усилитель У2 и датчик ДН напряжения на нагрузке, при этом к первому выводу 1 для подсоединения к первому - положительному полюсу +Е сети питания собственных нужд подсоединен первый вывод третьих нормально замкнутых блок-контактов БКЗ, второй вывод которых соединен с первым выводом пусковой кнопки П, второй вывод которой соединен с первым выводом 17 для подвода напряжения питания первого усилителя У1, второй вывод 18 для подвода напряжения питания которого соединен с вторым выводом 2 для подсоединения к второму - отрицательному полюсу -Ед сети питания собственных нужд, при этом выходные выводы 14 импульсного задающего генератора ЗГ блока управления БУ соединены с входными выводами 15 первого усилителя У1 пускового устройства ПУ и входными выводами 16 второго усилителя У2, а выходные выводы 23 и 24 усилителей соответственно У1 и У2 соединены с входными выводами (управляющим электродом и эмиттером) первого транзистора 5, при этом выводы для подвода напряжения питания 21 и 22 второго усилителя У 2 соединены с выходными выводами 19 и 20 датчика ДН напряжения на нагрузке.
В состав варианта привода, изображенного на фиг.4, кроме элементов, приведенных на фиг.1, входят: второй транзистор 15, второй трансформатор 16 с первичной 17 и вторичной 18 обмотками и резистор 19, при этом к первому выводу
п
п
9 1 для подсоединения к первому - положительному полюсу +Е сети питания собственных нужд подсоединен первый вывод резистора 19, второй вывод которого соединен с первым выводом первичной обмотки 17 второго трансформатора 16, второй вывод которой соединен с первым выводом (коллектором) второго транзистора 15, второй вывод (эмиттер) которого соединен с вторым выводом 2 неподвижных контактов для подсоединения к второму - отрицательному полюсу -Е сети питания собственных нужд, при этом входные выводы (управляющий электрод и эмиттер) второго транзистора 15 соединены с выходными выводами 14 импульсного задающего генератора ЗГ блока управления БУ, а выводы вторичной обмотки 18 второго трансформатора 16 соединены с входными выводами первого транзистора 5 таким образом, чтобы первый транзистор 5 открывался синхронно с вторым транзистором 15.
В состав варианта привода, изображенного на фиг.5, кроме элементов, приведенных на фиг.4, входят: вторая 20 и третья 21 вторичные обмотки второго трансформатора 16, третьи БКЗ нормально замкнутые и четвертые БК4 нормально разомкнутые блок-контакты, третий 22 и четвертый 23 диоды, при этом катоды первого 4 и второго 9 диодов соединены с анодами третьего 22 и четвертого 23 диодов, при этом катод третьего диода 22 соединен с первым выводом третьих БКЗ нормально замкнутых блок-контактов, второй вывод которых соединен с первым выводом второй вторичной обмотки 20, второго трансформатора 16, при этом катод четвертого диода 23 соединен с первым выводом четвертых БК4 нормально разомкнутых блок-контактов, второй вывод которых соединен с первым выводом третьей вторичной обмотки 21 упомянутого второго трансформатора 16, при этом вторые выводы упомянутых обмоток 20 и 21 соединены с первым выводом катушки 3 электромагнита привода.
В состав варианта привода, изображенного на фиг.6, кроме элементов приведенных на фиг.1, входят: второй транзистор 15, третий 16 и четвертый 17 диоды, вторая первичная обмотка 18 первого трансформатора 6, третьи нормально замкнутые блок-контакты БКЗ, при этом второй вывод первой первичной обмотки 7 первого трансформатора б соединен с анодом четвертого диода 17, катод которого соединен с коллектором первого транзистора 5, при этом общая точка первой 7 и второй 18 первичных обмоток первого трансформатора 6 соединена с
п
п
анодом третьего диода 16, катод которого соединен с коллектором второго транзистора 15, эмиттер которого соединен с вторым выводом 2 неподвижных контактов для подсоединения к второму - отрицательному полюсу -Е сети питания собственных нужд, при этом другой вывод второй первичной обмотки 18 первого трансформатора 6 соединен с первым выводом 1 неподвижных контактов для подсоединения к первому - положительному полюсу +Е сети питания собственных нужд, при этом к управляющему электроду первого транзистора 5 подсоединен первый вывод третьих нормально замкнутых блок-контактов БКЗ, второй вывод которых соединен с первым выводом пусковой кнопки П, второй вывод которой соединен с управляющим электродом второго транзистора 15.
В состав варианта привода, изображенного на фиг.7, кроме элементов, приведенных на фиг.1, входят: третий диод 15, вторая вторичная обмотка 16 первого трансформатора 6, третьи нормально-замкнутые блок-контакты БКЗ, при этом к общей точке первой вторичной обмотки 8 первого трансформатора 6 и второго диода 9 вторым выводом подсоединена вторая вторичная обмотка 16, первый вывод которой соединен с первым выводом третьих нормально замкнутых блок-контактов БКЗ, второй вывод которых соединен с анодом третьего диода 15, катод которого соединен с первым выводом пусковой кнопки П, второй вывод которой соединен с катодами первого 4 и второго 9 диодов и первым выводом катушки 3 электромагнита привода.
Предлагаемые варианты привода работают следующим образом. Во всех предложенных вариантах привода имеет место два режима работы:
1) режим включения привода (а соответственно и коммутационного аппарата);
2) режим выключения привода (а соответственно и коммутационного аппарата), при этом режим выключения имеет три варианта: а) режим оперативного выключения; б) режим выключения при перегрузке; в) режим выключения при коротком замыкании нагрузки. I
Режим включения варианта привода, изображенного на фиг.1, заключается в следующем. Замыкается остановочный ключ С блока управления БУ, замыкается нормально разомкнутая пусковая кнопка П блока управления БУ, в результате чего на импульсный задающий генератор ЗГ блока управления БУ подается напряжение
п
п
п
п
п
от сети питания Е собственных нужд по цепи +Е-1-П-С-10-11-2- -Е, начинает работать упомянутый генератор ЗГ, с выходных выводов 14 которого импульсы поступают на входные выводы - управляющий электрод и эмиттер первого транзистора 5, который также в цепи +Е-1-7-5-2- -Е начинает формировать униполярные прямоугольные импульсы, которые поступают с первичной обмотки 7 трансформатора 6 на его вторичную обмотку 8 в виде двухполярных импульсов, которые поступают на катушку 3 электромагнита привода через второй диод 9 и обеспечивают протекание постоянного тока через катушку 3 электромагнита привода по цепи 8-9-3-8, при этом вторая полуволна импульсов на обмотке 8 при наличии второго диода 9 не подается на катушку 3, при этом за счет запаса электромагнитной энергии при отсутствии тока подпитки катушки 3 от обмотки 8 ток через упомянутую катушку 3 протекает в том же направлении через шунтирующий первый диод 4 по цепи 3-4-3. Для обеспечения форсированного режима питания катушки при включении привода через нормально замкнутые блок-контакты БК2 блока управления БУ на входные выводы 12 импульсного задающего генератора ЗГ блока управления БУ от форсирующего устройства ФУ подается сигнал, обеспечивающий увеличение частоты подачи импульсов на первый транзистор 5, что обеспечивает нормальное включение привода, после включения которого замыкаются нормально разомкнутые блок-контакты БК1 блока управления БУ, которые обеспечивают постоянную подачу питающего напряжения на импульсный задающий генератор ЗГ блока управления БУ, и размыкаются вторые нормально замкнутые блок-контакты БК2, размыкая цепь подсоединения форсирующего устройства ФУ, при этом частота формирования импульсов задающего генератора ЗГ блока управления БУ обеспечивает ток через катушку 3, необходимый для удержания электромагнита привода в притянутом состоянии. На этом процесс включения привода заканчивается.
Процесс выключения привода, изображенного на фиг.1, заключается в следующем.
А. Оперативное выключение производится размыканием остановочного ключа С блока управления БУ, при этом прекращает формирование импульсов задающий генератор ЗГ блока управления БУ, запирается первый транзистор 5, на
первичной 7 и вторичной 8 обмотках первого трансформатора 6 исчезают импульсы, прекращается формирование постоянного тока через катушку 3 электромагнита привода, ток через которую начинает спадать по экспоненциальному закону, определяемому индуктивным и активным сопротивлениями катушки 3, при этом будет уменьшаться электромагнитная удерживающая сила электромагнита привода и последний выключится, при этом разомкнутся нормально разомкнутые первые блок-контакты БК1 и замкнутся нормально замкнутые вторые блок-контакты БК2 блока управления БУ.
Б. Выключение привода при перегрузке происходит следующим образом. При перегрузке с заданным запозданием от датчика ДТ тока нагрузки блока управления БУ на входные выводы 13 импульсного задающего генератора ЗГ блока управления БУ поступает сигнал, который прекращает работу упомянутого ЗГ, при этом так же, как и в предыдущем случае прекращается формирование постоянного тока для катушки 3 электромагнита привода и происходит его выключение.
В.  Выключение привода при коротком замыкании нагрузки. При коротком замыкании нагрузки в рассматриваемом варианте привода так же, как и в предыдущем случае от датчика ДТ блока управления БУ тока нагрузки на входные выводы 13 импульсного задающего генератора ЗГ блока управления БУ поступает сигнал, который прекращает работу упомянутого генератора ЗГ, что, как показано выше, также приводит к выключению привода.
В рассмотренном варианте привода достигается одно из заявленных достоинств, а именно увеличение надежности привода. Действительно, как следует из описания работы рассмотренного варианта, если поступает сигнал о самом тяжелом режиме - режиме короткого замыкания - то отказ первого транзистора 5, то есть его пробой, пробой трансформатора 6, пробой диодов 4 и 9 приводит обязательно к выключению привода.
Недостатком варианта привода, изображенного на фиг.1, является то, что при прекращении работы импульсного задающего генератора ЗГ блока управления БУ ток катушки 3 электромагнита привода спадает медленно по экспоненциальному закону. Поэтому предложен усовершенствованный вариант привода, изображенный на фиг.2, работа которого рассмотрена ниже
Включение привода.
При замыкании остановочного ключа С блока управления БУ и замыкании пусковой кнопки П того же блока БУ как и в варианте привода, изображенного на фиг.1, начинает формировать прямоугольные импульсы задающий генератор ЗГ, блока управления БУ, в результате чего начинается формирование постоянного тока для катушки 3 электромагнита привода, который в соответствии с измененной структурой цепи питания упомянутой катушки 3 электромагнита привода протекает по контуру 8-9-15-3-8, при этом второй транзистор 15 при работающем генераторе ЗГ блока управления БУ открывается сигналом с второй вторичной обмотки 17 первого трансформатора 6, поступающим по цепи 17 - 16 -15-16-17. В течение паузы между импульсами управляющего сигнала от обмотки 17 транзистор 15 находится в открытом состоянии за счет заряда межэлектродной емкости между управляющим электродом и эмиттером, если же она недостаточна по величине, то между базой и эмиттером ставится дополнительный конденсатор с малой емкостью и тем самым обеспечивается постоянный ток через катушку 3 электромагнита привода с малой емкостью. В остальном процесс включения происходит так же, как и в приводе, изображенном на фиг.1.
Выключение привода.
А. Оперативное выключение, как и в предыдущем варианте, производится размыканием остановочного ключа С блока управления БУ, при этом прекращает формирование импульсов задающий генератор ЗГ блока управления БУ и прекращается формирование постоянного тока для катушки 3 электромагнита привода. В отличие от варианта привода, изображенного на фиг.1, прекращение формирования импульсов на первичной обмотке 7 трансформатора 6 приводит к прекращению формирования импульсов и на вторичной обмотке 17, которые обеспечивали отпирание транзистора 15, поэтому после разряда межэлектродной собственной или дополнительной небольшой емкости между базой и эмиттером второй транзистор 15 закрывается и ток через катушку 3 электромагнита привода быстро прекращается, так как шунтирующий ее диод 4 подсоединен к катушке 3 через транзистор 15. После запирания транзистора 15 ток катушки 3 начинает протекать по контуру 3-19-18-3, при этом начинает заряжаться конденсатор 18
демпфирующего контура, в результате чего в некоторый момент времени ток катушки 3 электромагнита привода достигнет нулевого значения, что приведет к его выключению. Интервал времени спада тока катушки 3 от номинального значения до нуля определяется значением емкости конденсатора 18 демпфирующего контура, а значение емкости последнего выбирается из условия ограничения перенапряжения на катушке 3 электромагнита привода, чем меньше эта емкость, тем меньше время выключения, но тем больше перенапряжение на катушке 3 и на транзисторе 15.
Б, В. Выключение привода при перегрузке и при коротком замыкании нагрузки происходит так же, как в варианте привода, изображенном на фиг.1, то есть от сигнала, поступающего с датчика ДТ тока нагрузки блока управления БУ на входные выводы 13 импульсного задающего генератора ЗГ блока управления БУ о перегрузке или коротком замыкании нагрузки, прекращает работу упомянутый генератор ЗГ, прекращает работу первый транзистор 5, прекращается формирование импульсов на первичной 7 и вторичных 8 и 17 обмотках трансформатора 6, прекращается формирование постоянного тока для катушки 3 электромагнита привода, запирается второй транзистор 15, ток упомянутой катушки 3 привода быстро спадает до нуля и привод быстро выключается. Таким образом, в варианте привода, изображенном на фиг.2, достигается второе заявленное достоинство, то есть увеличивается быстродействие привода, что имеет важное значение при выключении тока короткого замыкания нагрузки. Выключение привода в рассмотренном варианте при коротком замыкании нагрузки начинается с момента появления сигнала об этом коротком замыкании от датчика ДТ тока нагрузки блока управления БУ, а сигнал этот появляется только тогда, когда ток короткого замыкания, возрастающий по экспоненциальному закону, достигнет значения тока уставки, то есть с некоторой задержкой по отношению к моменту времени начала короткого замыкания.
В варианте привода, изображенного на фиг.3, эта задержка исключена. Рассматриваемый привод работает следующим образом.
Включение привода. 1
п
п
При замыкании остановочного ключа С блока управления БУ по контуру +Е-1-С-10-11-2-Е импульсный задающий генератор ЗГ блока
п
п
п
п
управления БУ подается напряжение Е от сети  питания собственных нужд, при этом упомянутый генератор ЗГ начинает формировать импульсы для форсированного режима включения, которые поступают с выходных выводов 14 генератора ЗГ блока управления БУ на входные выводы 15 и 16 усилителей соответственно У1 и У2, которые должны формировать управляющие импульсы для первого транзистора 5, однако ни У1, ни У 2 при этом не работают, так как на них нет напряжения питания. При замыкании пусковой кнопки П по контуру +Е-1-БКЗ-П-17-18-2--Е на усилитель У1 подается напряжение Е от сети питания собственных нужд, при этом усилитель У1 начинает формировать в форсированном режиме управляющие импульсы для первого транзистора 5, при этом формируются импульсы на первичной 7 и вторичной 8 обмотках первого трансформатора 6, формируется форсированный постоянный ток для катушки 3 электромагнита привода и последний включается, при этом появляется напряжение на нагрузке, а следовательно, и на датчике ДН напряжения на нагрузке, которое с выходных выводов 19, 20 датчика ДН подается на выводы 21, 22 для подвода напряжения питания на усилитель У2, который начинает формировать импульсы для управления первого транзистора 5. Одновременно с этим при включении привода размыкаются нормально замкнутые блок-контакты БК2 блока управления БУ, отключающие форсирующее устройство ФУ того же блока от импульсного задающего генератора ЗГ блока управления БУ, который начинает формировать импульсы, необходимые для удерживающего режима привода, кроме того размыкаются нормально замкнутые блок-контакты БКЗ пускового устройства ПУ, которые разрывают цепь питания первого усилителя У1 пускового устройства ПУ и он перестает формировать управляющие импульсы для первого транзистора 5, который в этом режиме управляется только от второго усилителя У2. На этом процесс включения заканчивается.
Выключение привода.
А. Оперативное выключение привода осуществляется размыканием остановочного ключа С блока управления БУ, при этом разрывается щепь питания импульсного задающего генератора ЗГ, который прекращает формирование импульсов, следовательно прекращает формирование управляющих импульсов для первого транзистора 5 второй усилитель У2, прекращается формирование
импульсов на первичной 7 и вторичной 8 обмотках трансформатора 6, прекращается формирование постоянного тока катушки 3 электромагнита привода, и последний выключается.
Б. Выключение привода при перегрузке осуществляется так же, как и в вариантах приводов, изображенных на фиг.1 и 2, то есть сигнал о перегрузке, снимаемый с датчика ДТ тока нагрузки блока управления БУ, подается через входные выводы 13 на импульсный задающий генератор ЗГ блока управления БУ, последний прекращает формировать импульсы, что, как показано выше, приводит к выключению привода.
В. Выключение привода при коротком замыкании нагрузки происходит следующим образом. При коротком замыкании нагрузки исчезает напряжение на нагрузке, исчезает напряжение на датчике ДН напряжения на нагрузке, то есть исчезает напряжение на выходных выводах 19, 20 упомянутого датчика ДН, исчезает напряжение питания на выводах 21, 22 для подвода напряжения питания второго усилителя У2, который прекращает формирование управляющих импульсов для первого транзистора 5, при этом прекращается формирование импульсов на первичной 7 и вторичной 8 обмотках трансформатора 6, прекращается формирование постоянного тока для катушки 3 электромагнита привода, и последний выключается. Поскольку напряжение на нагрузке при ее коротком замыкании при обычно встречающемся активно-индуктивном характере сопротивления силовой сети исчезает быстрей, чем ток короткого замыкания, нарастающий по экспоненциальному закону, достигнет тока уставки, выключение привода в предлагаемом варианте происходит быстрей, чем при использовании сигнала о коротком замыкании нагрузки от датчика ДТ тока нагрузки блока управления БУ. Если сигнал от датчика ДТ тока нагрузки поступит раньше, то рассматриваемый привод выключится от него. Для предотвращения влияния на длительность короткого замыкания нагрузки, произошедшего при пуске, когда работает усилитель У1, отказа в поступлении сигнала о коротком замыкании нагрузки от датчика ДТ тока нагрузки, длительность работы усилителя У1 в процессе пуска ограничена временем, необходимым для включения привода.
Рассмотрим работу варианта привода, изображенного на фиг.4. Включение привода.
п
п
п
п
п
Включение привода происходит следующим образом. Замыкается остановочный ключ С блока управления БУ и замыкается пусковая кнопка П того же блока, при этом по цепи +Е-1-П-С-10-11-2- -Е подается напряжение на импульсный задающий генератор ЗГ блока управления БУ, который начинает в форсированном режиме, так как к его входным выводам 12 подсоединено через вторые нормально замкнутые блок-контакты БК2 блока управления БУ форсирующее устройство ФУ того же блока, формировать импульсы, которые с его выходных выводов 14 подаются на входные выводы второго транзистора 15, при этом формируются импульсы на первичной 17 и вторичной 18 обмотках второго трансформатора 16, которые с упомянутой обмотки 18 подаются на входные выводы первого транзистора 5, при этом формируются импульсы на первичной 7 и вторичной 8 обмотках первого трансформатора 6, формируется форсированный постоянный ток для катушки 3 электромагнита привода, и последний включается, при этом замыкаются первые нормально разомкнутые блок-контакты БК1 блока управления БУ, обеспечивая постоянную подачу напряжения питания на импульсный задающий генератор ЗГ того же блока, и размыкаются вторые нормально замкнутые блок-контакты БК2 того же блока, которые разрывают цепь подключения форсирующего устройства ФУ того же блока к упомянутому задающему генератору ЗГ того же блока, который начинает формировать импульсы, обеспечивающие установившийся удерживающий режим работы привода. Стабилизация удерживающего тока катушки 3 электромагнита привода при изменении напряжения Е сети питания собственных нужд осуществляется следующим образом. Параметры второго трансформатора 16, а именно число витков его первичной обмотки 17 и сечение его магнитопровода выбираются таким образом, чтобы при минимально допустимом напряжении Е время намагничивания второго трансформатора 16 до насыщения под воздействием приложенного напряжения составляло половину периода частоты формирования импульсов задающим генератором ЗГ блока управления БУ. При увеличении напряжения Е время намагничивания, как известно, уменьшается, при этом уменьшается длительность импульса и увеличивается длительность паузы между импульсами на первичной обмотке 17 второго трансформатора 16, при этом после насыщения трансформатора 16 напряжение на его первичной 17 и вторичной 18
п
п
18 I обмотках падает, а напряжение на резисторе 19 возрастает. Сформированная система импульсов с уменьшенной длительностью импульса и увеличенной длительностью паузы подается с вторичной обмотки 18 второго трансформатора 16 на входные выводы первого транзистора 5, при этом на первичной 7 и вторичной 8 обмотках первого трансформатора 6 формируется аналогичная система импульсов с уменьшенной длительностью импульса и увеличенной длительностью паузы, при этом амплитуда импульса на вторичной обмотке 8 первого трансформатора 6 будет возрастать из-за увеличения напряжения Е сети питания собственных нужд, а увеличение амплитуды импульса при одновременном уменьшении его длительности в случае идеального трансформатора 6 обеспечит постоянство напряжения, а следовательно, и тока катушки 3 электромагнита привода независимо от изменения напряжения Е сети питания собственных нужд. Выключение привода.
А. Оперативное выключение.
Оперативное выключение рассматриваемого варианта привода осуществляется, как и во всех ранее рассмотренных вариантах привода, размыканием остановочного ключа С блока управления БУ, при этом прекращает работу импульсный задающий генератор ЗГ блока управления БУ и привод выключается.
Б, В. Выключение привода при перегрузке или коротком замыкании нагрузки происходит так же, как во всех рассмотренных ранее вариантах привода, то есть при поступлении сигнала от датчика ДТ тока нагрузки о перегрузке или коротком замыкании нагрузки прекращает работу импульсный задающий генератор ЗГ того же блока, и привод выключается.
Стабилизация питающего напряжения для катушки 3 электромагнита привода может обеспечить постоянство тока этой катушки при постоянном ее активном сопротивлении. Однако с учетом температуры окружающей среды и с учетом нагрева катушки 3 ее сопротивление может существенно изменяться,
На фиг.5 приведен вариант привода, в котором достигается стабилизация тока катушки 3 привода при изменяющемся ее активном сопротивлении. Включение привода.
Включение привода происходит при замыкании остановочного ключа С
п
п
п
блока управления БУ и пусковой кнопки П того же блока, при этом по цепи +Е-1-П-С-10-11 -2-Е импульсный задающий генератор ЗГ блока управления БУ подается напряжение питания, и он начинает генерировать прямоугольные импульсы, у которых длительность импульса и паузы равны и которые с его выходных выводов 14 подаются на входные выводы второго транзистора 15, при этом начинают формироваться прямоугольные импульсы на первичной 17 и вторичной 18 обмотках второго трансформатора 16, которые с упомянутой обмотки 18 подаются на входные выводы первого транзистора 5, при этом начинают формироваться прямоугольные импульсы на первичной 7 и вторичной 8 обмотках первого трансформатора 6, при этом формируется форсированный ток для катушки 3 электромагнита привода, при этом третьи нормально замкнутые блок-контакты БКЗ находятся в замкнутом состоянии, а четвертые нормально разомкнутые блок-контакты БК4 находятся в разомкнутом состоянии, поэтому форсированный ток катушки 3 электромагнита привода протекает по контуру 8-9-22-БКЗ-20-3-8, и привод включается. Для того, чтобы при пуске привода ток катушки 3 привода был форсированным, число витков первичной 17 и вторичной 20 обмоток и сечение магнитопровода второго трансформатора 16, а также число витков первичной 7 и вторичной 8 обмоток и сечение магнитопровода первого трансформатора 6 выбираются таким образом, чтобы при минимальном значении напряжения Е сети питания собственных нужд и максимальном активном сопротивлении катушки 3 электромагнита привода через упомянутую катушку 3 протекал ток, достаточный для включения привода, при этом длительность импульса на первичной обмотке 17 второго трансформатора 16 была равна длительности паузы между импульсами. При уменьшении активного сопротивления катушки 3 электромагнита привода происходит увеличение тока упомянутой катушки 3 привода, что вызывает ускорение намагничивания второго трансформатора 16 и, следовательно, уменьшение длительности импульса на первичной 17 и вторичной 18 обмотках второго трансформатора 16. Это изменение передается посредством обмотки 18 на входные выводы первого транзистора 5, поэтому на первичной 7 и вторичной 8 обмотках первого трансформатора 6 также формируются импульсы, длительность которых становится меньше паузы между этими импульсами, следовательно среднее
п
;
значение напряжения и тока катушки 3 привода уменьшается. После включения привода третьи нормально замкнутые блок-контакты БК3 размыкаются, а четвертые нормально разомкнутые блок-контакты БК4 замыкаются, при этом удерживающий ток катушки 3 привода протекает по контуру 8-9-23-БК4-21-3-8. Стабилизация удерживающего тока катушки 3 привода происходит аналогично выше рассмотренному. Отличие заключается в том, что при минимальном напряжении Е сети питания собственных нужд и максимальном активном сопротивлении катушки 3 привода число витков вторичной обмотки 21 второго трансформатора 16 выбирается таким образом, чтобы ток катушки 3 привода был достаточным для удержания якоря электромагнита в притянутом состоянии. Поскольку удерживающий ток в несколько раз меньше включающего форсированного тока, число витков вторичной обмотки 21 во столько же раз должно быть больше, чем число витков вторичной обмотки 20 второго трансформатора 16. Таким образом, в рассматриваемом варианте обеспечивается стабилизация тока как в пусковом режиме, так и в удерживающем режиме не зависимо от величины активного сопротивления катушки 3 электромагнита привода.
Выключение привода.
А. Оперативное выключение. Оперативное выключение привода осуществляется размыканием остановочного ключа С блока управления БУ, при этом прекращается работа импульсного задающего генератора ЗГ того же блока, прекращается формирование импульсов на втором трансформаторе 16, на первом трансформаторе 6, прекращается формирование постоянного тока для катушки 3 электромагнита привода, и последний выключается.
Б, В. Выключение привода при перегрузке и коротком замыкании нагрузки. При появлении сигнала с датчика ДТ тока нагрузки блока управления БУ о перегрузке или коротком замыкании нагрузки, поступающего на входные выводы 13 импульсного задающего генератора ЗГ того же блока, последний прекращает работу, что, как показано выше, приводит к выключению привода.
В ряде случаев при очень большой разнице пускового и удерживающего токов катушки 3 электромагнита привода оказывается затруднительно обеспечивать пусковой и удерживающий токи ЧИМ- регулированием, как это
осуществляется в вариантах приводов, изображенных на фиг.1, 2, 3, 4, или ШИМ-регулированием, как это осуществляется в варианте привода, изображенном на фиг.5. Для этих случаев предлагаются два варианта приводов (фиг.6, фиг.7), в которых форсированный включающий режим достигается изменением коэффициента трансформации первого трансформатора 6.
Рассмотрим работу варианта привода, приведенного на фиг.6. Включение привода.
п
п
п
п
п
п
п
Включение привода осуществляется замыканием остановочного ключа С блока управления БУ, при этом по контуру +Е-1-С-10-11-2-Е на импульсный задающий генератор ЗГ того же блока подается напряжение Е от сети питания собственных нужд, при этом упомянутый ЗГ того же блока начинает формировать прямоугольные импульсы, которые с его выходных выводов 14 поступают на входные выводы первого транзистора 5, при этом на первичных обмотках 18 и 7 первого трансформатора 6 в контуре +Е-1-18-7-17-5-2-Е формируются прямоугольные импульсы, которые трансформируются на вторичную обмотку 8 упомянутого трансформатора 6 с коэффициентом трансформации W8/W18+W7 (W - число витков соответствующей обмотки трансформатора), который выбирается таким, чтобы для катушки 3 электромагнита привода формировался удерживающий ток. При последующем замыкании пусковой кнопки П прямоугольные импульсы с выходных выводов 14 упомянутого импульсного задающего генератора ЗГ блока управления БУ поступают на входные выводы второго транзистора 15, при этом на первичной обмотке 18 первого трансформатора 6 в контуре +Е-1-18-16-15-2-Е формируются прямоугольные импульсы, которые трансформируются на вторичную обмотку 8 трансформатора 6 с коэффициентом трансформации W8/W18, который выбирается таким, чтобы для катушки 3 электромагнита привода формировался включающий форсированный ток, который протекает по контуру 8-9-3-8 и включает привод. В режиме включения первый транзистор 5 не работает, так как он закрыт напряжением на первичной обмотке 7 первого трансформатора 6, полярность которого указана на фиг.6. После включения привода размыкаются третьи нормально замкнутые блок-контакты БКЗ, которые разрывают цепь для
поступления управляющих импульсов на второй транзистор 15, он прекращает работу, но при этом продолжает работу первый транзистор 5, при этом как показано выше, формируется удерживающий ток для катушки 3 электромагнита привода, то есть пусковой процесс включения на этом заканчивается. Выключение привода.
А. Оперативное выключение привода.
Оперативное выключение привода осуществляется размыканием остановочного ключа С блока управления БУ, при этом прекращается питание импульсного задающего генератора ЗГ того же блока, последний прекращает формировать прямоугольные импульсы, прекращается управление первого транзистора 5 или второго транзистора 15, в зависимости от того, который из них работает, прекращается формирование импульсов на обмотках первого трансформатора б, прекращается формирование постоянного тока для катушки 3 электромагнита привода, и последний выключается.
Б, В. Выключение привода при перегрузке или коротком замыкании нагрузки. При появлении сигнала с датчика ДТ тока нагрузки блока управления БУ о перегрузке или коротком замыкании нагрузки, поступающего на входные выводы 13 импульсного задающего генератора ЗГ того же блока, последний прекращает работу, прямоугольные импульсы не поступают на первый транзистор 5 или второй транзистор 15, прекращается формирование прямоугольных импульсов на обмотках первого трансформатора 6, прекращается формирование постоянного тока для катушки 3 электромагнита привода, и последний выключается.
Рассмотрим работу варианта привода, приведенного на фиг.7. Включение привода.
п
п
п
Включение привода осуществляется предварительным: замыканием остановочного ключа С блока управления БУ, при этом по контуру +E-1-С-10-11-2-E на импульсный задающий генератор ЗГ того же блока подается напряжение Е сети питания собственных нужд, при этом упомянутый ЗГ начинает формировать прямоугольные импульсы, которые с его выходных выводов 14 поступают на входные выводы первого транзистора 5, при этом на первичной обмотке 7 первого трансформатора 6 формируются прямоугольные импульсы,
которые трансформируются на вторичную обмотку 8 упомянутого первого трансформатора б с коэффициентом трансформации W8/W7, который выбирается таким, чтобы для катушки 3 электромагнита привода формировался удерживающий ток, что недостаточно для включения привода. Поэтому вслед за замыканием остановочного ключа С блока управления замыкается пусковая кнопка П, при этом прямоугольные импульсы, формирующиеся на первичной обмотке 7 первого трансформатора 6 трансформируются на вторичные обмотки 8 и 16 упомянутого первого трансформатора б с коэффициентом трансформации W8+W16/W7, который выбирается таким образом, чтобы для; катушки 3 электромагнита привода формировался включающий форсированный! ток, который протекает по контуру 8-16-БКЗ-15-П-3-8 и обеспечивает включение привода, после чего размыкаются третьи нормально замкнутые блок-контакты БКЗ, при этом размыкается цепь форсировки тока катушки 3 электромагнита привода и вновь формируется удерживающий ток для упомянутой катушки 3 привода, то есть на этом заканчивается включение привода. Выключение привода.
А. Оперативное выключение. Оперативное выключение рассматриваемого варианта привода осуществляется размыканием остановочного ключа С блока управления БУ, при этом прекращается питание импульсного задающего генератора ЗГ того же блока, последний прекращает работу, прекращается управление первым транзистором 5, прекращается формирование импульсов на обмотках первого трансформатора б, прекращается формирование постоянного тока для катушки 3 электромагнита привода, и последний выключается.
Б, В. Выключение привода при перегрузке и коротком замыкании нагрузки. При появлении сигнала с датчика ДТ тока нагрузки блока управления БУ о перегрузке или коротком замыкании нагрузки, поступающего на входные выводы 13 импульсного задающего генератора ЗГ того же блока, последний прекращает работу, прямоугольные импульсы не поступают на входные выводы первого транзистора 5, прекращается формирование импульсов на обмотках первого трансформатора 6, прекращается формирование постоянного тока для катушки 3 электромагнита привода, и последний выключается.
Таким образом, в двух последних вариантах приводов, приведенных на
фиг.6 и 7, форсировка пускового тока привода достигается изменением соотношения первичных и вторичных витков первого трансформатора 6 и не требует ЧИМ-регулирования или ШИМ-регулирования, что увеличивает эффективность пусковых режимов привода. В заключение необходимо отметить:
1) при изменении полярности напряжений, отмеченных на фиг.1-7, изменяются направления прямого включения полупроводниковых приборов;
2) на фиг.1-7 для упрощения не показаны известные защитно-демпфирующие устройства в цепях управления и силовых цепях полупроводниковых приборов, состоящие обычно из резисторов, конденсаторов, варисторов и стабилитронов.
3) упомянутые в тексте блок-контакты привода могут быть заменены любыми управляемыми ключами.