УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ БИСТАБИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам для управления одновременной коммутацией двух обмоток бистабильного электромагнита в коммутационных аппаратах, в частности, в приводах высоковольтных вакуумных выключателей, используемых в комплектных распределительных устройствах и в камерах сборных одностороннего обслуживания, а также в различных устройствах автоматики.
Известно устройство для управления бистабильным электромагнитом коммутационного аппарата (см. сайт http://www.vsoyuz.ru/i/pdf/TI/cb/01_TI_VCB_BP.pdf. Выключатели вакуумные серии ВР. Техническая информация. НКАИ.670049.011 ТИ. Редакция 10. - Концерн «Высоковольтный союз», 2010. - 50 с.- С.16, 33.), выполненное в виде электромеханической системы с двумя цепями релейно-контактных элементов. Каждая цепь выполнена с возможностью соединения на входе с положительным электродом источника постоянного или выпрямленного напряжения, а на выходе - с первыми выводами соответственно обмоток включения и выключения бистабильного электромагнита. При этом в приводе коммутационного аппарата, в состав которого входят рассматриваемое устройство, бистабильный электромагнит и связанный с ним исполнительный механизм, вторые выводы упомянутых обмоток бистабильного электромагнита встречно соединены между собой и выполнены с возможностью соединения с отрицательным электродом источника постоянного или выпрямленного напряжения. Для выполнения операций включения или выключения коммутационного аппарата по внешней команде релейно-контактные элементы соответствующей цепи замыкаются, соединяя первый вывод обмотки включения или выключения бистабильного электромагнита с источником постоянного или выпрямленного напряжения. При подаче тока на соответствующую обмотку в магнитной цепи бистабильного электромагнита индуцируется сила притяжения якоря, превышающая по значению и противоположная по направлению силам, удерживающим его в стабильном положении, в результате воздействия которой якорь перемещается в противоположное стабильное положение. После завершения перемещения якоря по команде датчика положения, расположенного в приводе коммутационного аппарата, релейно-контактные элементы соответствующей цепи размыкаются, отключая первый вывод соответствующей обмотки бистабильного электромагнита от источника постоянного или выпрямленного напряжения, и операция включения или выключения завершается. Известное устройство выполнено с возможностью попеременного подключения обмоток при выполнении операций включения и выключения коммутационного аппарата.
Недостатками известного устройства для управления бистабильным электромагнитом коммутационного аппарата являются:
- выполнение с возможностью попеременного подключения обмоток бистабильного электромагнита при выполнении операций включения и выключения коммутационного аппарата, что вызывает необходимость в подаче на них большого тока для создания тяговой силы, достаточной для перемещения якоря из одного стабильного положения в другое;
- сравнительно большая длительность нарастания магнитного потока, необходимого для создания в бистабильном электромагните тяговых сил, достаточных для начала движения, что снижает его быстродействие при выполнении операций включения и выключения коммутационного аппарата;
- большие габаритные размеры и масса релейно-контактных элементов, что приводит к увеличению массогабаритных характеристик устройства и коммутационного аппарата в целом;
- повышенный износ контактных элементов в процессе попеременной коммутации больших токов в обмотках бистабильного электромагнита при исполнении быстродействующих циклов операций включения и выключения коммутационного аппарата, что существенно снижает ресурс устройства при эксплуатации.
Известно устройство для управления бистабильным электромагнитом коммутационного аппарата (см. сайт http://www.abb.ua/product/db0003db004279/c125739900636470c1256e59004c3b1a.aspx?productLanguage=us&country=UA. Проспект. - Product presentation. VM1: innovation in power technology. Vacuum circuit-breaker with magnetic actuator. - ABB Power and productivity for a better world. - 26 с.- С.7.), содержащее преобразователь напряжения, конденсатор, микроконтроллер, транзистор, первый и второй тиристоры, диод и резистор. Входные электроды преобразователя напряжения выполнены с возможностью соединения с одноименными электродами источника постоянного или выпрямленного напряжения, конденсатор соединен параллельно с выходом преобразователя напряжения, три вывода порта микроконтроллера соединены с управляющими электродами упомянутых тиристоров и затвором транзистора, эмиттер и коллектор транзистора соединены, соответственно, с отрицательным электродом конденсатора и с первым выводом резистора. Упомянутый вывод резистора параллельно соединен также с катодами тиристоров, а второй вывод резистора соединен с анодом диода. На выходе устройства аноды тиристоров выполнены с возможностью последовательного соединения с первыми выводами соответствующих обмоток включения и выключения бистабильного электромагнита, а катод диода и положительный электрод конденсатора - с возможностью соединения со вторыми их выводами. При этом в приводе коммутационного аппарата, в состав которого входят рассматриваемое устройство, бистабильный электромагнит и связанный с ним исполнительный механизм, вторые выводы обмоток включения и выключения бистабильного электромагнита встречно соединены между собой. Для выполнения операции включения коммутационного аппарата по внешней команде микроконтроллер подает на затвор транзистора и управляющего электрода первого тиристора управляющие сигналы, упомянутые приборы открываются, соединяя первый вывод обмотки включения бистабильного электромагнита с положительным электродом конденсатора. При этом в обмотке включения начинает течь ток и, после достижения им некоторого значения, в магнитной цепи бистабильного электромагнита возникает сила притяжения якоря, превышающая по значению и противоположная по направлению силам, удерживающим его в стабильном положении. В результате воздействия указанной силы якорь перемещается в противоположное стабильное положение. После завершения перемещения якоря по команде датчика положения, расположенного в приводе коммутационного аппарата, подача управляющих сигналов от микроконтроллера на транзистор и тиристор прекращается, в результате чего транзистор запирается практически мгновенно, а тиристор остается в открытом состоянии до момента снижения в нем тока до значения, которое меньше уровня тока удержания. При этом открывается диод и ток в обмотке включения бистабильного электромагнита начинает спадать по кривой, близкой к экспоненциальной. В момент запирания первого тиристора одновременно с ним запирается диод, после чего устройство готово к выполнению следующей операции - выключению коммутационного аппарата. Операция выключения коммутационного аппарата выполняется аналогично с операцией включения, но посредством подключения к положительному электроду конденсатора обмотки выключения.
Замена электромеханической системы управления на микропроцессорную позволила снизить массогабаритные размеры устройства и повысить его ресурс при эксплуатации.
Недостатками известного устройства для управления бистабильным электромагнитом коммутационного аппарата являются:
- выполнение с возможностью попеременного подключения обмоток бистабильного электромагнита при выполнении операций включения и выключения коммутационного аппарата, что вызывает необходимость в подаче на них большого тока для создания тяговой силы, достаточной для перемещения якоря из одного стабильного положения в другое;
- сравнительно большая длительность нарастания магнитного потока, необходимого для создания в бистабильном электромагните тяговых сил, достаточных для начала движения, что снижает его быстродействие при выполнении операций включения и выключения коммутационного аппарата;
- наличие «технических» пауз при выполнении циклов операций включения-выключения, обусловленное необходимостью ожидания снижения тока в соответствующих обмотках до значения, ниже уровня, достаточного для запирания включенных в их цепи тиристоров, что также снижает быстродействие бистабильного электромагнита при выполнении операций выключения коммутационного аппарата при коротких замыканиях.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования устройства для управления бистабильным электромагнитом коммутационного аппарата, в котором за счет его иного конструктивного выполнения и иной взаимосвязи его элементов с обмотками бистабильного электромагнита обеспечивается существенное повышение величины тяговой силы бистабильного электромагнита при меньшем значении тока в его обмотках и, соответственно, быстродействия привода при выполнении операций включения и выключения. Указанный технический результат достигается при одновременном снижении стоимости приводной системы коммутационного аппарата.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для управления бистабильным электромагнитом коммутационного аппарата, содержащем преобразователь напряжения, конденсатор, микроконтроллер, транзистор, первый и второй тиристоры, диод и резистор, при этом входные электроды преобразователя напряжения выполнены с возможностью соединения с одноименными электродами источника постоянного или выпрямленного напряжения, конденсатор соединен параллельно с выходом преобразователя напряжения, три вывода порта микроконтроллера соединены с управляющими электродами упомянутых тиристоров и затвором транзистора, эмиттер и коллектор транзистора соединены соответственно с отрицательным электродом конденсатора и с первым выводом резистора, согласно полезной модели оно содержит второй транзистор, второй диод и второй резистор, четвертый вывод порта микроконтроллера соединен с затвором второго транзистора, анод первого тиристора соединен с катодами первого и второго диодов, а его катод соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с коллектором второго транзистора, анод второго тиристора соединен с анодом первого диода, соединенного с положительным входным электродом преобразователя напряжения, анод второго диода соединен с положительным электродом конденсатора, катод второго тиристора соединен со вторым выводом первого резистора, а эмиттер второго транзистора соединен с отрицательным электродом конденсатора, при этом первые выводы первого и второго резисторов выполнены с возможностью соединения с обмоткой выключения бистабильного электромагнита, а вторые выводы упомянутых резисторов выполнены с возможностью соединения с обмоткой включения бистабильного электромагнита.
Предлагаемая схема исполнения устройства позволяет выполнять операции включения и выключения коммутационного аппарата посредством подачи отличающихся по значению и направлению токов одновременно на обмотки включения и выключения бистабильного электромагнита. Одновременное использование двух обмоток создает в магнитной системе бистабильного электромагнита иные суммарные магнитные поля при меньшем токе, что существенно повышает тяговые силы, воздействующие на подвижную часть магнитопровода при переходе из одного стабильного положения в другое, и, соответственно, сокращает продолжительность процесса преодоления сил, удерживающих ее в стабильных положениях. Кроме этого, быстродействие бистабильного электромагнита повышается за счет устранения «технических» пауз при выполнении циклов операций включения-выключения, т.к. запирание тиристоров в цепях обмоток происходит сразу же после запирания соответствующих транзисторов. Предлагаемая схема выполнения устройства позволяет подавать в обмотки катушек постоянные токи определенных значений, которые могут выбираться с учетом, например, конструктивного исполнения и назначения коммутационного аппарата. Снижение тока в обмотках бистабильного электромагнита при включении и выключении коммутационного аппарата позволяет, в свою очередь, использовать иные источники постоянного или выпрямленного напряжения, например, конденсаторы с меньшей емкостью или оперативные источники питания меньшей мощности. Это позволяет одновременно с достижением вышеуказанного технического результата уменьшить стоимость устройства и коммутационного аппарата в целом.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства для управления бистабильным электромагнитом коммутационного аппарата.
Устройство содержит преобразователь напряжения 1, конденсатор 2, микроконтроллер 3, первый 4 и второй 5 транзисторы, первый 6 и второй 7 тиристоры, первый 8 и второй 9 резисторы и первый 10 и второй 11 диоды.
Входные электроды преобразователя напряжения 1 выполнены с возможностью соединения с одноименными электродами источника постоянного или выпрямленного напряжения 12. Конденсатор 2 соединен параллельно с выходом преобразователями напряжения 1. Четыре вывода порта микроконтроллера 3 соединены с управляющими электродами первого 6 и второго 7 тиристоров и затворами первого 4 и второго 5 транзисторов. Эмиттеры и коллекторы первого 4 и второго 5 транзисторов соединены, соответственно, с отрицательным электродом конденсатора 2 и с первым выводом первого 8 резистора и вторым выводом второго 9 резистора. Второй вывод первого 8 резистора и первый вывод второго 9 резистора соединены, соответственно, с катодами второго 7 и первого 6 тиристоров. Анод первого 6 тиристора соединен с катодами первого 10 и второго 11 диодов, а анод второго 7 тиристора соединен с анодом первого 10 диода. Анод второго 11 диода соединен с положительным электродом конденсатора 2, а анод первого 10 диода соединен с положительным входным электродом преобразователя напряжения 12. Первые выводы первого 8 и второго 9 резисторов выполнены с возможностью соединения с обмоткой выключения 13 бистабильного электромагнита, а их вторые выводы выполнены с возможностью соединения с обмоткой включения 14 бистабильного электромагнита
Заявляемое техническое решение может быть реализовано в приводах коммутационных аппаратов, оборудованных бистабильными электромагнитами различного конструктивного исполнения, в частности, с выполнением магнитной системы с одним, двумя или более воздушными зазорами; с выполнением неподвижной части магнитопровода в форме параллелепипеда или цилиндра, или в иной геометрической форме; с выполнением подвижной части магнитопровода в виде якоря из магнитомягкого материала или в виде штока из немагнитного материала с закрепленными на нем одним или двумя якорями; с выполнением подвижной части магнитопровода с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно неподвижной части магнитопровода или с возможностью возвратно-вращательного перемещения на заданный угол относительно нее; с выполнением постоянных магнитов цельными или составными в виде набора из отдельных элементов; с выполнением постоянных магнитов в форме параллелепипедов или призм, или в иной геометрической форме; с выполнением обмоток на раздельных катушках с обмотками или с выполнением их на каркасе одной катушки.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В исходном положении, после присоединения устройства управления к источнику постоянного или выпрямленного напряжения 12, первый 4 и второй 5 транзисторы закрыты, первый 6 и второй 7 тиристоры, первый 10 и второй 11 диоды также закрыты, обмотки выключения 13 и включения 14 бистабильного электромагнита обесточены, а преобразователь напряжения 1 обеспечивает заряд конденсатора 2 до напряжения, превосходящего значение напряжения в источнике постоянного или выпрямленного напряжения 12, которое в дальнейшем не зависит от напряжения в упомянутом источнике. После того, как напряжение заряда конденсатора 2 достигнет заданного уровня, устройство управления готово к обеспечению выполнения операций включения и выключения коммутационного аппарата.
Операция включения коммутационного аппарата выполняется по внешней команде, поступающей на микроконтроллер 3. При этом, если напряжение в источнике постоянного или выпрямленного напряжения 12 в этот момент оказывается достаточным для выполнения операции включения, то микроконтроллер выдает соответствующие управляющие сигналы на второй 5 транзистор и второй 7 тиристор, после чего упомянутые приборы открываются, соединяя выводы обмотки включения 14 бистабильного электромагнита с источником постоянного или выпрямленного напряжения 12, и по обмотке включения 14 начинает течь ток. Одновременно ток, ограниченный сопротивлением первого 8 и второго 9 резисторов, начнет течь в обмотке выключения 13. Протекание тока в обмотках включения 14 и выключения 13 происходит во встречных направлениях, что создает в магнитной системе бистабильного электромагнита противоположные по направлению и разные по интенсивности магнитные потоки и соответствующие им тяговые силы притяжения якоря к неподвижным частям магнитопровода, обеспечивающие перемещение якоря из первоначального стабильного положения, в котором он находился при выключенном состоянии коммутационного аппарата, в противоположное стабильное положение, соответствующее его включенному состоянию. После завершения движения подвижной системы бистабильного электромагнита по команде датчика положения (на схеме не показан) подача управляющих сигналов от микроконтроллера 3 на второй 5 транзистор и второй 7 тиристор прекращается, в результате чего эти приборы практически мгновенно запираются. Однако, в силу того, что первый 8 и второй 9 резисторы создают с обмотками выключения 13 и включения 14 замкнутый контур, ток в этой цепи не прерывается и становится одинаковым в упомянутых обмотках, а с течением времени уменьшается по закону, близкому к экспоненциальному, причем направление тока в обмотке включения 14 остается прежним, а в обмотке выключения 13 меняется на противоположное. Конденсатор 2 в выполнении операции включения не участвует и остается в разряженном состоянии. В связи с тем, что после прекращения поступления управляющих сигналов от микроконтроллера 3 второй 5 транзистор и второй 7 тиристор сразу же закрылись, устройство управления практически мгновенно готово к выполнению следующей операции - выключению коммутационного аппарата.
Операция выключения выполняется по внешней команде, поступающей на микроконтроллер 3, который, вне зависимости от значения напряжения в источнике постоянного или выпрямленного напряжения 12, выдает управляющие сигналы на первый 4 транзистор и первый 6 тиристор, после чего упомянутые приборы открываются. Поскольку напряжение на конденсаторе 2 превосходит напряжение в источнике постоянного или выпрямленного напряжения 12, то второй 11 диод открывается, а первый 10 диод запирается, в результате чего выводы обмотки выключения 13 бистабильного электромагнита присоединяются к конденсатору 2 и по упомянутой обмотке начинает течь ток. Одновременно ток, ограниченный сопротивлением первого 8 и второго 9 резисторов, начнет течь и в обмотке включения 14. Протекание тока в обмотках выключения 13 и включения 14 происходит во встречных направлениях, что создает в магнитной системе бистабильного электромагнита противоположные по направлению и разные по интенсивности магнитные потоки и соответствующие им тяговые силы притяжения якоря к неподвижным частям магнитопровода, обеспечивающие перемещение якоря из первоначального стабильного положения, в котором он находился при включенном состоянии коммутационного аппарата, в противоположное стабильное положение, соответствующего его выключенному состоянию. Конденсатор 2 при этом разряжается, но только до значения напряжения в источнике постоянного или выпрямленного напряжения 12, после чего второй 11 диод запирается, а первый 10 диод открывается и питание обмоток обеспечивается уже от источника постоянного или выпрямленного напряжения 12. После завершения движения подвижной системы бистабильного электромагнита по команде датчика положения (на схеме не показан) подача управляющих сигналов от микроконтроллера 3 на первый 4 транзистор и первый 6 тиристор прекращается, в результате чего эти приборы практически мгновенно запираются. Однако, в силу того, что первый 8 и второй 9 резисторы создают с обмотками выключения 13 и включения 14 замкнутый контур, ток в этой цепи не прерывается и становится в упомянутых обмотках одинаковым, а с течением времени уменьшается по закону, близкому к экспоненциальному, причем направление тока в обмотке выключения 13 остается прежним, а в обмотке включения 14 меняется на противоположное. В связи с тем, что сразу же после прекращения поступления управляющих сигналов от микроконтроллера 3 первый 4 транзистор и первый 6 тиристор закрылись, устройство управления практически мгновенно готово к выполнению следующей операции - включению коммутационного аппарата.
Результаты экспериментальных исследований коммутационного аппарата с использованием заявляемого технического решения подтвердили его работоспособность и получение заданного технического результата. Использование в операциях включения-выключения одновременно двух обмоток позволяет создавать актуаторы с существенно большим значением тяговой силы при меньшем значении тока в обмотках бистабильного электромагнита, и за счет этого повышать быстродействие коммутационного аппарата. Отсутствие временной задержки в готовности заявляемого устройства к выполнению каждой последующей операции создает для него существенное дополнительное преимущество по сравнению с известными устройствами.