БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПРИВОД КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике, а именно к быстродействующим электромагнитным приводам коммутационных аппаратов. Известно, что одним из главных назначений коммутационных аппаратов является быстрое отключение короткозамкнутой нагрузки, что для быстродействующих электромеханических аппаратов постоянного тока может быть достигнуто только при использовании быстродействующих электроприводов. Известно также, что к числу быстродействующих электроприводов относятся электродинамические - ЭДП и индукционно-динамические - ИДП приводы, при этом в первом случае электродинамическая сила возникает в результате отталкивания двух встречно включенных, расположенных рядом магнитно связанных катушек, обтекаемых одним током, а во втором случае электродинамическая сила возникает в результате протекания импульса тока через катушку, расположенную рядом с металлическим диском, и взаимодействия упомянутого тока с током, наводимым в упомянутом металлическом диске (Карпенко Л.Н. Быстродействующие электродинамические отключающие устройства. Л.: Энергия, 1973 г.).
Поскольку сила отталкивания между катушками в случае ЭДП пропорциональна квадрату значения тока, протекающего через катушки, а в случае ИДП пропорциональна произведению значений протекающего через катушку и наводимого в диске токов, для получения больших ускорений и больших скоростей подвижной части, то есть катушки в случае ЭДП или диска в случае ИДП, необходимо пропускать через катушки или катушку большие токи, а для улучшения массогабаритных показателей рассматриваемых приводов большие токи через катушки пропускают кратковременно в виде коротких импульсов. Поэтому в качестве источника питания в упомянутых приводах используют обычно предварительно заряженный конденсатор, который может заряжаться, например, от источника постоянного напряжения через резистор и разряжаться на катушки с помощью тиристора (Проектирование электрических аппаратов: учебник для ВУЗов, Г.Н.Александров, В.В.Борисов, Г.С.Каплан и др. Под ред. Г.Н.Александрова. -Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1985, рис. 6.18, стр. 270) или заряжаться от источника переменного напряжения и разряжаться на катушки с помощью трехэлектродного разрядника
(Чунихин А.А. Электрические аппараты. Общий курс. Учебник для ВУЗов, - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988, рис. 18.30, стр. 599).
Последний из рассмотренных аналогов является наиболее близким к предлагаемой полезной модели, поэтому он выбран в качестве прототипа, так как в нем имеется катушка привода, конденсатор, цепь его заряда, разрядник, то есть коммутатор и устройство синхронизации для определения момента времени начала разряда конденсатора на катушку. То, что в прототипе использован ИДП, а не ЭДП, принципиального значения для схемы привода не имеет, так как по скорости и времени отключения они примерно равноценны, а описанную в прототипе схему можно применять как для ИДП, так и для ЭДП приводов. Все рассмотренные аналоги электродинамических или индукционно-динамических приводов, в том числе и прототип, обладают тем преимуществом, что могут иметь при правильно выбранных параметрах очень малое время срабатывания - от нескольких миллисекунд до долей миллисекунды. В то же время все аналоги и прототип имеют общий недостаток, заключающийся в том, что момент срабатывания привода отключения зависит от достижения током нагрузки тока уставки, то есть сигнал для срабатывании привода появляется не ранее, чем ток нагрузки достигнет значения тока уставки, что несмотря на высокое быстродействие самого электродинамического или индукционно-динамического привода увеличивает время отключения коротко-замкнутой нагрузки.
Предлагаемая полезная модель позволяет устранить отмеченный недостаток прототипа.
Технический результат полезной модели заключается в том, чтобы уменьшить время обнаружения наиболее тяжелого режима короткого замыкания нагрузки и тем самым сократить общее время отключения короткого замыкания нагрузки, начиная с момента его возникновения.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в следующем.
Предлагаемый быстродействующий привод коммутационного аппарата содержит привод включения ПРВ, кинематически связанный с главными контактами ГК аппарата силовой цепи, первый конденсатор, зарядное устройство ЗУ с выходными выводами, катушку привода отключения ПРО (электродинамического или индукционно-динамического типа, при этом в первом случае привод содержит две встречно включенных магнитно связанных полуобмотки катушки, во втором случае привод содержит одну катушку и металлический диск), также кинематически связанного с главными контактами ГК аппарата, первый управляемый ключ УК1 и
датчик ДТ тока нагрузки с выходными выводами и первым диодом, что обеспечивает подключение заряженного первого конденсатора через первый управляемый ключ к катушке привода отключения ПРО и его срабатывание при появлении сигнала от датчика ДТ тока нагрузки в случае возникновения тока перегрузки или тока короткого замыкания.
Новым является то, что в привод дополнительно введены второй диод, первый и второй резисторы, второй и третий конденсаторы, импульсный задающий генератор ЗГ, датчик ДН напряжения на нагрузке, первый У1, второй У 2, и третий УЗ усилители-выпрямители сигнала, что позволяет подключать заряженный первый конденсатор через первый управляемый ключ к катушке привода отключения ПРО и осуществлять его срабатывание при исчезновении напряжения на нагрузке, то есть при возникновении короткого замыкания.
Поскольку при обычно встречающемся активно-индуктивном характере силовой цепи исчезновение напряжения на нагрузке при ее коротком замыкании происходит раньше, чем ток короткого замыкания, возрастающий по экспоненциальному закону, достигнет тока уставки, в предлагаемой полезной модели срабатывание привода отключения происходит раньше, чем в известных аналогах, то есть достигается поставленная цель.
Срабатывание привода отключения в режимах перегрузки так же, как и в аналогах, происходит при разряде первого конденсатора на катушку привода отключения ПРО через первый управляемый ключ при поступлении сигнала от датчика тока ДТ при возникновении режима перегрузки, то есть без ускоренного отключения, но оно в этом режиме и не требуется.
В состав варианта предлагаемого привода, изображенного на фиг., входят: электромагнитный привод включения ПРВ с выводами для подвода напряжения питания 1, 2, кинематически связанный с главными контактами ГК аппарата, пусковая кнопка П и остановочный ключ С для ПРВ, первый 3, второй 4 и третий 5 конденсаторы, зарядное устройство ЗУ с выходными выводами 6, катушка привода отключения ПРО, также кинематически связанного с главными контактами ГК аппарата, первый управляемый ключ 7, первый 8 и второй 9 диоды, первый 10 и второй 11 резисторы, датчик тока ДТ нагрузки с выходными выводами 12, импульсный задающий генератор ЗГ с выводами 13, 14 для подвода напряжения питания и с выходными выводами 15, датчик напряжения ДН на нагрузке силовой цепи с выходными выводами 16, 17, первый У1 усилитель-выпрямитель с выводами 18, 19 для подвода напряжения питания, с входными 20 и выходными 21 выводами, второй
п
п
п
п
У2 усилитель-выпрямитель с выводами 22, 23 для подвода напряжения питания, с входными 24 и выходными 25 выводами и третий УЗ усилитель-выпрямитель с выводами 26, 27 для подвода напряжения питания с входными 28 и выходными 29 выводами, второй управляемый ключ УК2, при этом первый вывод первого конденсатора 3 соединен с первым выводом первого управляемого ключа 7, второй вывод которого соединен с первым выводом катушки привода отключения ПРО, второй вывод которой соединен с вторым выводом первого конденсатора 3, при этом зарядное устройство ЗУ подсоединено выходными выводами 6 к первому конденсатору 3 таким образом, чтобы полярность напряжения на упомянутом первом конденсаторе 3 была прямой по отношению к первому управляемому ключу 7, при этом первый выходной вывод 12 датчика ДТ тока нагрузки соединен с анодом первого диода 8, катод которого соединен с первым управляющим выводом первого управляемого ключа 7, а второй выходной вывод 12 упомянутого датчика ДТ тока нагрузки соединен с вторым управляющим выводом упомянутого первого управляемого ключа 7 таким образом, чтобы при превышении током нагрузки тока уставки первый управляемый ключ 7 открывался, при этом первые выводы первого резистора 10 и второго конденсатора 4 подсоединены к второму управляющему выводу первого управляемого ключа 7, а их вторые выводы соединены с первым выводом третьего конденсатора 5, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора 11, второй вывод которого соединен с анодом второго диода 9, катод которого соединен с первым управляющим выводом первого управляемого ключа 7, при этом первые выводы 13 и 26 для подвода напряжения питания соответственно импульсного задающего генератора ЗГ и третьего усилителя-выпрямителя УЗ подсоединены к первому - положительному полюсу +Е сети питания собственных нужд, а вторые выводы 14 и 27 для подвода напряжения питания соответственно импульсного задающего генератора ЗГ и третьего усилителя-выпрямителя УЗ подсоединены к второму - отрицательному полюсу -Е сети питания собственных нужд, при этом выводы 22, 23 для подвода напряжения питания второго усилителя-выпрямителя У 2 подсоединены к выходным выводам 16, 17 датчика ДН напряжения на нагрузке, при этом к первому - положительному полюсу +Е сети питания собственных нужд подсоединен первый вывод второго управляемого ключа УК2, второй вывод которого соединен с первым выводом 18 для подвода напряжения питания первого усилителя-выпрямителя У1, второй вывод 19 для подвода напряжения питания которого соединен с вторым отрицательным полюсом -Е сети питания собственных нужд, при этом выходные выводы 15 импульсного
задающего генератора ЗГ соединены с входными выводами 20 первого У1, 24 второго У2 и 28 третьего УЗ усилителей-выпрямителей, а выходные выводы 21 первого У1 и 25 второго У 2 усилителей-выпрямителей соединены с вторым конденсатором 4 таким образом, чтобы напряжение на упомянутом втором конденсаторе 4 было запирающим для первого управляемого ключа 7, а выходные выводы 29 третьего усилителя-выпрямителя УЗ соединены с третьим конденсатором 5 таким образом, чтобы напряжение на третьем конденсаторе 5 было отпирающим для первого управляемого ключа 7, при этом уровень напряжения на третьем конденсаторе 5 выбирается в соответствии с параметрами управляющего сигнала первого управляемого ключа 7, а уровень напряжения на втором конденсаторе 4 должен превышать уровень напряжения на третьем конденсаторе 5 во всех возможных режимах за исключением режима короткого замыкания нагрузки, при этом емкость второго конденсатора 4 должна быть меньше емкости третьего конденсатора 5, а величина сопротивления первого резистора 10 должна выбираться в соответствии с заданным временем разряда второго конденсатора 4 при возникновении короткого замыкания нагрузки, величина сопротивления второго резистора 11 должна выбираться из условия демпфирования переходного процесса при взаимодействии второго 4 и третьего 5 конденсаторов. Привод, схема которого приведена на фиг., работает следующим образом.
Включение аппарата производится приводом включения ПРВ при соответствующей подготовке этого включения.
При отключении аппарата имеют место три случая:
A) режим оперативного отключения;
Б) режим отключения при перегрузке;
B) режим отключения при коротком замыкании нагрузки.
Включение аппарата.
п
п
При подаче напряжения от сети Е питания собственных нужд происходит заряд первого конденсатора 3 от зарядного устройства ЗУ до заданного напряжения с полярностью, указанной на фиг., и начинает работать импульсный задающий генератор ЗГ, так как к нему через выводы 13, 14 подается питающее напряжение от сети питания Е собственных нужд. Прямоугольные импульсы тока или напряжения с выходных выводов 15 ЗГ (в зависимости от вида используемых транзисторов в усилителях-выпрямителях У1, У2 и УЗ: если биполярные транзисторы - то импульсы тока, если полевые транзисторы или биполярные с изолированным
п
п
затвором - то импульсы напряжения) поступают на входные выводы 20, 24 и 28 соответственно усилителей-выпрямителей У1, У2 и У3, при этом начинает формировать запирающий сигнал усилитель-выпрямитель У1, так как к нему через второй управляемый ключ УК2 подводится напряжение Е от сети питания собственных нужд. Упомянутый сигнал с выходных выводов 21 первого усилителя-выпрямителя У1 поступает на второй конденсатор 4 и обеспечивает запирание первого управляемого ключа 7. Одновременно начинает формировать отпирающий сигнал третий усилитель-выпрямитель УЗ, так как к нему также подается напряжение Е от сети питания собственных нужд через выводы 26, 27 для подвода напряжения питания. Упомянутое напряжение с выходных выводов 29 третьего усилителя-выпрямителя УЗ поступает на третий конденсатор 5 и обеспечивает отпирающее напряжение для первого управляемого ключа 7, однако последний закрыт, так как запирающее напряжение на втором конденсаторе 4 больше, чем отпирающее напряжение на третьем конденсаторе 5.
п
В рассмотренном исходном состоянии второй усилитель-выпрямитель У2 запирающий сигнал для первого управляемого ключа 7 не формирует, так как на этом упомянутом усилителе У2 нет питающего напряжения, так как его нет и на не включенной нагрузке и, следовательно, на выходе датчика ДН напряжения на нагрузке. Для включения привода ПРВ необходим сигнал о наличии напряжения на первом конденсаторе 3 и третьем конденсаторе 5. Включение привода ПРВ оператором как обычно производится нажатием пусковой кнопки П, при этом на привод включения ПРВ поступает напряжение Е от сети питания собственных нужд. До того момента, пока привод ПРВ не включился, а, следовательно, и главные контакты ГК не замкнулись и не появилось напряжение на нагрузке, электромагнитные процессы остаются такими же, как и до нажатия пусковой кнопки П. После включения привода ПРВ, то есть замыкания главных контактов ГК и подачи напряжения на нагрузку привод работает следующим образом: появляется напряжение на нагрузке, если она исправна, появляется напряжение питания на втором усилителе-выпрямителе У2, которое подается на него с выходных выводов 16, 17 датчика ДН напряжения на нагрузке через выводы 22, 23 для подвода напряжения питания, выключается второй управляемый ключ УК2, то есть исчезает напряжение питания для первого усилителя-выпрямителя У1, которое поступало на него через выводы 18, 19 для подвода напряжения питания, при этом второй усилитель-выпрямитель У2 начинает формировать запирающее напряжение, которое через выходные выводы 25 подается на второй конденсатор 4 и тем самым поддерживает запирание
первого управляемого ключа 7, а первый усилитель-выпрямитель У1 перестает формировать запирающее напряжение для упомянутого ключа 7. На этом процесс включения привода заканчивается.
Выключение аппарата.
А. Оперативное отключение привода.
Оперативное отключение привода производится оператором как обычно путем размыкания остановочного ключа С. При этом снимается напряжение питания с привода включения ПРВ, последний выключается. Размыкаются главные контакты ГК аппарата в силовой цепи, снимается напряжение с нагрузки и процесс оперативного отключения на этом заканчивается.
Б. Отключение аппарата при перегрузке.
Отключение аппарата при перегрузке происходит следующим образом. От датчика ДТ тока нагрузки поступает сигнал на входные выводы первого управляемого ключа 7, который открывается и по контуру 3-7-ПРО-3 протекает ток разряда первого конденсатора 3, который вызывает электродинамическую силу в приводе отключения ПРО, в результате чего размыкаются главные контакты ГК аппарата в силовой цепи и снимается напряжение с нагрузки. Главные контакты ГК могут быть разомкнуты непосредственно приводом отключения ПРО, кроме того, привод отключения ПРО может увеличить зазор между якорем и сердечником привода включения ПРВ, при котором удерживающий ток окажется недостаточным и привод включения ПРВ отключит аппарат.
В. Отключение аппарата при коротком замыкании нагрузки.
При коротком замыкании нагрузки, если оно произошло при включении привода ПРВ, выключении второго управляемого ключа УК2 и отсутствии напряжения на нагрузке и, следовательно, на датчике ДН напряжения на нагрузке первый усилитель-выпрямитель У1 прекратит формирование запирающего сигнала для первого управляемого ключа 7, а второй усилитель-выпрямитель У2 из-за отсутствия на нем напряжения питания не начнет формирование запирающего сигнала для первого управляемого ключа 7, в результате чего упомянутый ключ 7 откроется, и по контуру 3-7-ПРО-3 будет протекать ток разряда первого конденсатора 3, который вызовет электродинамическую силу и срабатывание привода отключения ПРО, следовательно, размыкание главных контактов ГК аппарата в силовой цепи и отключение коротко замкнутой нагрузки. Аналогично происходит отключение коротко замкнутой нагрузки, если короткое замыкание произошло после
завершения процесса пуска, когда формирование запирающего сигнала для первого управляемого ключа 7, как показано выше, осуществляется только вторым усилителем-выпрямителем У2 при наличии напряжения на нагрузке и на выходе датчика ДН напряжения на нагрузке. Как только происходит короткое замыкание нагрузки, исчезает напряжение на ней, на датчике ДН напряжения на нагрузке и на выводах 22, 23 для подвода напряжения питания второго усилителя-выпрямителя У2, последний прекращает формирование запирающего сигнала для первого управляемого ключа 7, который открывается и по контуру 3-7-ПРО-3 начинает протекать ток разряда первого конденсатора 3, который, как показано выше, приводит к размыканию главных контактов ГК аппарата в силовой цепи и отключению коротко замкнутой нагрузки.
Для предотвращения развития аварийного процесса короткого замыкания нагрузки при отказе какого-либо из элементов привода отключения ПРО может быть по традиционной схеме подан дублирующий сигнал на отключение от датчика ДТ тока нагрузки к электромагнитному приводу включения ПРВ, как это показано штрих-пунктирной линией на фиг.
В заключение необходимо отметить:
1. При изменении полярности напряжений, отмеченных на фиг., изменяются направления прямого включения полупроводниковых приборов.
2. На фиг. для упрощения не показаны известные защитно-демпфирующие устройства в цепях управления и силовых цепях полупроводниковых приборов, состоящие обычно из резисторов, конденсаторов, варисторов и стабилитронов.
п
3. При значительных колебаниях напряжения Е сети питания собственных нужд формирователи сигналов должны иметь в своей структуре блоки стабилизации.