УПРАВЛЯЕМЫЙ РАСЦЕПИТЕЛЬ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ
CONTROLLED RELEASE OF THE CIRCUIT BREAKER

Настоящее изобретение касается управляемого расцепителя автоматического выключателя. Изобретение также касается распределительного устройства, включающего в себя автоматический выключатель и расцепитель такого типа, связанного с этим автоматическим выключателем. Наконец, изобретение касается способа работы расцепителя такого типа.
Как известно, расцепитель электрического автоматического выключателя имеет функцию размыкания автоматического выключателя, с которым он связан для прерывания протекания электрического тока между входным и выходным выводами автоматического выключателя в случае, когда расцепитель принимает выделенный командный сигнал. Например, этот командный сигнал подается тогда, когда оператор нажимает кнопку аварийного останова. Задача расцепителя состоит в том, чтобы разомкнуть автоматический выключатель как можно быстрее после приема этого командного сигнала даже в том случае, если схема управления, включенная в автоматический выключатель, не обнаружила аномальную работу автоматического выключателя. Поэтому крайне важно, чтобы срабатывание расцепителя происходило как можно быстрее и надежно.
Известны в частности, механические расцепители, которые должны быть механически соединены с механизмом переключения автоматического выключателя. Эти расцепители, как правило, включают в себя моторизованный привод для перемещения и удержания на месте механизма переключения автоматического выключателя для размыкания автоматического выключателя.
Недостаток этих известных расцепителей состоит в том, что они во время работы выделяют большое количество тепла из-за необходимости подачи электроэнергии на моторизованный привод. Другой недостаток состоит в том, что необходимо постоянно подавать на моторизованный привод электрическую энергию для того, чтобы поддерживать механизм переключения в разомкнутом состоянии. Это приводит к большому потреблению электроэнергии и, следовательно, также к высокому тепловыделению. Такое тепловыделение является нежелательным из-за того, что оно приводит к нагреванию расцепителя, что может ухудшить его работу. Более того, такое нагревание является особенно вредным, если требуется миниатюризировать расцепитель, или если расцепитель используется в ограниченном пространстве.
Более конкретно, настоящее изобретение намерено устранить эти недостатки за счет выполнения управляемого расцепителя автоматического выключателя, который выделяет меньше тепла во время работы.
Таким образом, изобретение обеспечивает управляемый расцепитель автоматического выключателя, при этом автоматический выключатель имеет возможность переключения между разомкнутым состоянием и замкнутым состоянием, причем этот расцепитель включает в себя:
- исполнительный механизм, содержащий соединительный элемент с возможностью перемещения между исходным положением и расцепленным положением, причем соединительный элемент предназначен для механического присоединения к механизму переключения автоматического выключателя, чтобы вызвать переключение автоматического выключателя из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, когда соединительный элемент переходит из исходного положения в расцепленное положение, и
- устройство управления, выполненное с возможностью возбуждения исполнительного механизма в ответ на прием расцепителем командного сигнала расцепления для того, чтобы перевести соединительный элемент из исходного положения в расцепленное положение.
Исполнительный механизм представляет собой электромагнитный привод, включающий в себя катушку, выполненную с возможностью перемещения соединительного элемента из исходного положения в расцепленное положение, когда она возбуждается импульсом электрического тока с интенсивностью больше, чем заданное первое пороговое значение, в течение времени, большего или равного заданному времени, и устройство управления, выполненное с возможностью возбуждения катушки электрическим током сразу после приема командного сигнала и в течение всего времени, когда командный сигнал продолжает поступать, с помощью последовательности импульсов электрического тока с длительностью, равной заданному времени, и с интенсивностью, большей или равной первому пороговому значению и меньшей или равной второму пороговому значению, причем это второе пороговое значение равно по большей мере 120% от первого порогового значения.
Благодаря изобретению, используя магнитный исполнительный механизм такого типа, перемещение соединительного элемента в его расцепленное положение требует лишь небольшого количества энергии, которая подается с помощью импульса электрического тока, вырабатываемого в катушке. Более того, автоматический выключатель блокируется в разомкнутом состоянии путем активации катушки в последовательные моменты времени посредством последовательности импульсов тока.
Напротив, в моторизованных приводах уровня техники необходимо непрерывно производить подачу электроэнергии для того, чтобы обеспечить переключение автоматического выключателя в разомкнутое состояние и заблокировать его в разомкнутом состоянии, что ведет к дополнительному потреблению энергии.
Наконец, ограничение интенсивности импульсов тока до значения, меньшего, чем второе заданное пороговое значение, позволяет не подавать слишком много энергии на катушку и ограничить количество энергии, которое подается на катушку, количеством энергии, необходимым для освобождения соединительного элемента для того, чтобы он мог перейти в расцепленное положение.
Поскольку потребление электроэнергии уменьшается по сравнению с известными расцепителями, уменьшается количество тепла, которое выделяет расцепитель.
Согласно преимущественным аспектам изобретения, которые не являются обязательными, расцепитель вышеупомянутого типа может иметь один или несколько из следующих признаков в любом технически допустимом сочетании:
- командный сигнал представляет собой электрическое напряжение, подаваемое на вход расцепителя, при этом устройство управления выполнено с возможностью электрического возбуждения командным сигналом, и устройство управления включает в себя:
- источник питания с регулируемым напряжением и с ограничением по току, соединенный последовательно с катушкой между входом и электрическим заземлением устройства управления, причем этот источник питания с регулируемым напряжением и с ограничением по току выполнен с возможностью подачи напряжение питания на шину питания сразу после его возбуждения командным сигналом,
- модуль возбуждения, выполненный с возможностью электрического возбуждения напряжением питания и управления выработкой импульсов электрического тока,
- источник питания с регулируемым напряжением и с ограничением по току, дополнительно выполненный с возможностью поочередной избирательной подачи в катушку электрического тока с интенсивностью, равной второму заданному пороговому значению, и прерывания протекания этого электрического тока в ответ на команды расцепления и прерывания, выработанные модулем возбуждения;
- устройство управления включает в себя управляемый ключ, соединенный последовательно с катушкой и источником питания с регулируемым напряжением и с ограничением по току между входом и электрическим заземлением, причем управление источником питания осуществляет модуль возбуждения посредством этого ключа, при этом ключ с этой целью подключен к модулю возбуждения и способен переключаться между открытым состоянием и закрытым состоянием для того, чтобы, соответственно, разрешать или запрещать протекание электрического тока в ответ на команды расцепления и прерывания, выработанные модулем возбуждения;
- устройство управления включает в себя датчик для измерения тока, протекающего через катушку, и модуль возбуждения запрограммирован на последовательную активацию и затем запрещение подачи электрического тока с помощью источника питания с регулируемым напряжением и с ограничением по току для выработки каждого импульса электрического тока, при этом модуль возбуждения запрограммирован на подачу команд этого запрета по истечении заданного времени, причем это время отсчитывает модуль возбуждения в обратном порядке, начиная с момента времени, при котором ток, измеренный измерительным датчиком, превышает первое пороговое значение;
- модуль возбуждения запрограммирован на обнаружение того, является ли командный сигнал электрическим напряжением постоянного или переменного тока, и попеременную:
- автоматическую синхронизацию выработки импульсов электрического тока с помощью командного сигнала, если командный сигнал обнаружен как электрическое напряжение переменного тока, причем эта синхронизация выполняется с помощью модуля возбуждения путем выработки команд расцепления в моменты времени, при которых командный сигнал принимает нулевое значение, и
- подачу команды выработки импульсов электрического тока с заданным периодом, если командный сигнал обнаружен как электрическое напряжение постоянного тока;
- модуль возбуждения запрограммирован на подачу команды выработки импульсов электрического тока с заданным интервалом между двумя последовательными импульсами электрического тока, причем заданный интервал меньше или равен 100 мс.
- циклическое отношение между заданным временем и заданным интервалом находится между 1/10 и 1/100 включительно и предпочтительно равен 1/40;
- устройство управления включает в себя аналоговый модуль возбуждения, выполненный с возможностью выработки одиночного импульса электрического тока с интенсивностью, большей или равной заданному первому пороговому значению сразу после приема командного сигнала устройством управления;
- исполнительный механизм дополнительно включает в себя магнит, подвижную часть, механически присоединенную к соединительному элементу, и расцепляющую пружину,
- магнит закреплен на неподвижной части исполнительного механизма и прикладывает магнитную силу к подвижной части, когда соединительный элемент находится в исходном положении, с тем, чтобы подвижная часть сжимала пружину, удерживая соединительный элемент в исходном положении, при этом пружина генерирует возвратное усилие, противоположно направленное магнитной силе и меньше, чем магнитная сила,
- катушка выполнена с возможностью уменьшения силы магнитного притяжения, создаваемого магнитом при его возбуждении в каждом из упомянутых импульсов электрического тока, подаваемых устройством управления для того, чтобы обеспечить перемещение соединительного элемента из своего исходного положения в расцепленное положение из-за действия возвратного усилия, создаваемого расцепляющей пружиной.
Согласно другому аспекту изобретение касается распределительного устройства, включающего в себя автоматический выключатель и управляемый расцепитель, связанный с автоматическим выключателем,
- автоматический выключатель включает в себя механизм переключения, предназначенный для переключения автоматического выключателя между разомкнутым состоянием и замкнутым состоянием,
- расцепитель включает в себя:
- исполнительный механизм, содержащий соединительный элемент с возможностью перемещения между исходным положением и расцепленным положением, причем соединительный элемент механически присоединен к механизму переключения, чтобы вызвать переключение автоматического выключателя из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, когда он переходит из исходного положения в расцепленное положение, и
- устройство управления, выполненное с возможностью возбуждения исполнительного механизма в ответ на прием расцепителем командного сигнала расцепления для того, чтобы перевести соединительный элемент из исходного положения в расцепленное положение;
исполнительный механизм представляет собой электромагнитный привод, включающий в себя катушку, выполненную с возможностью перемещения соединительного элемента из исходного положения в расцепленное положение, когда она возбуждается импульсом электрического тока с интенсивностью больше, чем заданное первое пороговое значение, в течение времени, большего или равного заданному времени, и устройство управления выполнено с возможностью возбуждения катушки электрическим током сразу после приема командного сигнала и в течение всего времени, когда командный сигнал поступает посредством последовательности импульсов электрического тока, имеющих длительность, равную заданному времени, и интенсивность, большую или равную первому пороговому значению и меньшую или равную заданному второму пороговому значению, причем это второе пороговое значение равно по большей мере 120% от первого порогового значения;
Согласно дополнительному аспекту изобретение касается способа, включающего в себя этапы:
взведение расцепителя, включающего в себя
- исполнительный механизм, содержащий соединительный элемент с возможностью перемещения между исходным положением и расцепленным положением, причем соединительный элемент предназначен для механического присоединения к механизму переключения автоматического выключателя, чтобы вызвать переключение автоматического выключателя из замкнутого состояния в разомкнутое состояние, когда соединительный элемент переходит из исходного положения в расцепленное положение, при этом исполнительный механизм представляет собой электромагнитный привод, включающий в себя катушку, выполненную с возможностью перемещения соединительного элемента из исходного положения в расцепленное положение, когда она возбуждается импульсом электрического тока с интенсивностью больше, чем заданное первое пороговое значение, в течение времени, которое больше или равно заданному времени, и
- устройство управления, выполненное с возможностью возбуждения исполнительного механизма в ответ на прием расцепителем командного сигнала расцепления для того, чтобы перевести соединительный элемент из исходного положения в расцепленное положение,
расцепитель, получающий командный сигнал расцепления,
возбуждение катушки устройством управления посредством последовательности импульсов электрического тока, имеющих длительность, равную заданному времени, и интенсивность, большую или равную первому пороговому значению и меньшую или равную второму пороговому значению, причем это второе пороговое значение равно по большей мере 120% от первого порогового значения, при этом это возбуждение подается сразу после приема командного сигнала и в течение всего времени, когда командный сигнал продолжает поступать в расцепитель.
Изобретение будет более понятным, и другие его преимущества станут более очевидными в свете последующего описания одного варианта осуществления управляемого расцепителя, приведенного только в качестве примера и со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 показана упрощенная схема распределительного устройства, включающего в себя управляемый расцепитель согласно изобретению, взаимодействующий с автоматическим выключателем:
на фиг. 2 схематично показана команда расцепления и прерывания ключа, управляемого модулем возбуждения устройства управления расцепителя (фиг. 1);
на фиг. 3 схематично показана зависимость электрического тока от времени, который протекает через катушку исполнительного механизма распределительного устройства (фиг. 1) в ответ на команды расцепления и прерывания (фиг. 2);
на фиг. 4 схематично показан аналоговый модуль расцепления устройства управления расцепителя (фиг. 1);
на фиг. 5 показаны зависимости электрического напряжения от времени в модуле (фиг. 4) во время его работы;
на фиг. 6 показана блок-схема последовательности операций способа работы расцепителя (фиг. 1).
На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема распределительного устройства 1, содержащего автоматический выключатель 10 и управляемый расцепитель 20, присоединенный к автоматическому выключателю 10 для управления этим автоматическим выключателем 10.
Автоматический выключатель 10 представляет собой автоматический выключатель, например, сильноточный автоматический выключатель низкого напряжения. Например, электрическое напряжение составляет порядка 690 В.
Автоматический выключатель 10 имеет входные и выходные выводы, которые избирательным образом электрически соединены друг с другом или изолированы друг от друга с помощью отделяемых электрических контактов. Автоматический выключатель 10 включает в себя механизм 110 переключения, выполненный с возможностью перемещения этих разделяемых электрических контактов между разомкнутым состоянием и замкнутым состоянием. В данном документе механизм 110 переключения представляет собой известный механизм перекидного типа.
В разомкнутом состоянии автоматический выключатель 10 предотвращает протекание электрического тока между входным и выходным выводами. В замкнутом состоянии автоматический выключатель обеспечивает протекание электрического тока между входным и выходным выводами. Термин "размыкание" обозначает переход автоматического выключателя 10 из замкнутого состояния в разомкнутое состояние.
Автоматический выключатель 10 дополнительно включает в себя рычаг управления или рукоятку управления, присоединенную к механизму 110 переключения для того, чтобы пользователь мог переключать автоматический выключатель вручную между разомкнутым и замкнутым состояниями.
Автоматический выключатель 10 также включает в себя схему обнаружения, выполненную с возможностью переключения механизма 110 в разомкнутое состояние при обнаружении электрической аномалии, такой как перегрузка по току или короткое замыкание.
Расцепитель 20 выполнен с возможностью принудительного переключения автоматического выключателя 10 из своего замкнутого состояния в свое разомкнутое состояние в случае, если расцепитель принимает команду расцепления.
Таким образом, расцепитель 20 позволяет принудительно переключать автоматический выключатель 10 в разомкнутое состояние независимо от схемы обнаружения автоматического выключателя 10. Например, этот командный сигнал расцепления вырабатывается после действия пользователя, совершаемого в отношении выключателя или нажимной кнопки аварийного отключения, которая управляет блоком питания, который вырабатывает команду.
В этом примере командным сигналом служит электрическое напряжение Vcmd. Например, командный сигнал Vcmd представляет собой напряжение постоянного тока. В качестве альтернативы, он может быть напряжением переменного тока.
Расцепитель 20 должен удерживать автоматический выключатель 10 в разомкнутом состоянии до тех пор, пока он принимает командный сигнал Vcmd. В частности, расцепитель 20 должен предпочтительно выполнять функцию блокировки автоматического выключателя 10 в разомкнутом состоянии после его срабатывания и расцепления.
На практике существует опасность замыкания подвижных контактов автоматического выключателя 10 в случае, если рычаг управления автоматического выключателя 10 выведен из разомкнутого положения в замкнутое положение. Этот вид замыкания является недопустимым и поэтому должен быть предотвращен, поскольку это противоречит требованиям техники безопасности.
Таким образом, расцепитель 20 включает в себя исполнительный механизм 210, устройство 220 для управления исполнительным механизмом и вход 230 для командного сигнала Vcmd. В данном случае вход 230 включает в себя две клеммы, одна из которых подсоединена к электрическому заземлению GND устройства 220 управления.
Исполнительный механизм 210 представляет собой электромагнитный привод, включающий в себя катушку 2101 и соединительный элемент 2102, предназначенный для механической связи с механизмом 110 переключения.
Исполнительный механизм 210 выполнен с возможностью управления устройством 220 управления.
Элемент 2102 имеет возможность избирательного перемещения между исходным положением и расцепленным положением. Элемент 2102 выполнен таким образом, чтобы перемещение из своего исходного положения в свое расцепленное положение приводило к переключению механизма 110 для размыкания автоматического выключателя 10.
В этом примере соединительный элемент 2102 механически присоединен к механизму 110, например, с помощью рычага управления автоматического выключателя 10.
С другой стороны, в этом примере перемещение элемента 2102 из расцепленного положения в исходное положение не вызывает автоматическое переключение механизма 110 из разомкнутого состояния в замкнутое состояние. В данном случае, по соображениям безопасности, это переключение должно производиться вручную при помощи рычага управления автоматического выключателя 10.
Катушка 2101 выполнена с возможностью перемещения соединительного элемента 2102 из исходного положения в расцепленное положение, когда на нее подается импульс электрического тока с интенсивностью больше, чем заданное первое пороговое значение I-min, в течение времени, которое больше или равно заданному времени T-on.
В данном случае соединительный элемент 2102 не возвращается автоматически в свое исходное положение сразу после прекращения возбуждения катушки 2101, когда она подсоединена к механизму 110 управления.
В этом примере исполнительный механизм 210 включает в себя магнит, закрепленный на неподвижной части исполнительного механизма 210, и пружину, которая упоминается как расцепляющая пружина. Исполнительный механизм 210 также включает в себя подвижную часть, механически присоединенную, например, к соединительному элементу 2102. Магнит прикладывает магнитную силу к подвижной части таким образом, чтобы подвижная часть удерживала пружину в сжатом состоянии. Возвратное усилие, генерируемое пружиной на подвижную часть, меньше, чем магнитная сила, создаваемая магнитом. Это позволяет удерживать соединительный элемент 2102 в исходном положении. Другими словами, возвратного усилия, создаваемого непосредственно расцепляющей пружиной, недостаточно для преодоления магнитной силы и перемещения элемента 2102 в расцепленное положение.
Катушка 2101 выполнена с возможностью размагничивания магнита по меньшей мере частично, когда она запитывается каждым из упомянутых импульсов электрического тока, подаваемых устройством 220 управления для того, чтобы уменьшить магнитную силу до значения меньшего, чем значение возвратного усилия, создаваемого пружиной или даже для прерывания магнитной силы и, таким образом, обеспечения перемещения соединительного элемента 2102 из своего исходного положения в расцепленное положение из-за действия возвратного усилия, создаваемого расцепляющей пружиной. Другими словами, в этом примере катушка 2101 выполнена с возможностью перемещения соединительного элемента 2102 из исходного положения в расцепленное положение опосредованным образом, в частности, через магнит и расцепляющую пружину.
Например, катушка 2101 включает в себя электрический проводник, такой как медная проволока, намотанная вокруг этого магнита с образованием витков. Таким образом, когда катушка 2101 запитается импульсом электрического тока, она создает магнитный поток внутри магнита, который противодействует собственному магнитному потоку магнита, таким образом прерывая магнитную силу.
Таким образом, чтобы расцепить или перевести элемент 2102 в расцепленное положение, катушка 2101 запитывается электрическим импульсом с интенсивностью, большей, чем пороговое значение I-min тока в течение времени, по меньшей мере равного T-on (фиг. 3). В данном случае, в отличие от известных моторизованных приводов, отсутствует необходимость поддержания непрерывный подачи электроэнергии. Это позволяет снизить потребление энергии и, следовательно, тепловыделение.
Заданное пороговое значение I-min и заданное время T-on выбираются в зависимости от исполнительного механизма 210 и особенно в зависимости от количества энергии, которую необходимо подать в катушку 2101 для того, чтобы уменьшить магнитную силу до уровня ниже, чем возвратное усилие расцепляющей пружины с тем, чтобы перевести элемент 2102 в расцепленное положение.
В этом примере заданное время T-on равно 1 мс. Минимальный ток I-min является таким, чтобы магнитная сила, создаваемая катушкой 2101, была равна 150 ампер-витков.
Как известно, в системе единиц МКС магнитная сила, создаваемая катушкой 2101, выражается как произведение тока, питающего эту катушку 2101, на число витков этой катушки 2101.
Например, значение магнитного поля, создаваемого катушкой 2101, является достаточным для размагничивания магнита, но не слишком высоким для того, чтобы оставаться меньше, чем поле насыщения материалов, образующих подвижные и неподвижные части исполнительного механизма 210, в данном случае равно 1,5 Тесла.
Устройство 220 управления выполнено с возможностью возбуждения исполнительного механизма 210 в ответ на прием командного сигнала Vcmd. Устройство 220 также выполнено с возможностью блокировки автоматического выключателя в разомкнутом состоянии в течение всего времени, когда командный сигнал Vcmd продолжает подаваться на вход 230.
Более конкретно, устройство 220 управления выполнено с возможностью электрического возбуждения катушки 2101 сразу после приема командного сигнала Vcmd и в течение всего времени, когда командный сигнал Vcmd продолжает поступать, в виде последовательности импульсов электрического тока, при этом длительность каждого из них равна заданному времени T-on. Интенсивность каждого из последовательности импульсов тока больше или равна первому пороговому значению I-min и меньше или равна второму пороговому значению I-max, которое также упоминается как "предельный ток".
Предельный ток I-max больше, чем пороговое значение I-min и меньше или равен 120% от порогового значения I-min, предпочтительно меньше или равен 110% от порогового значения I-min, еще более предпочтительно меньше или равен 105% от порогового значения I-min.
Например, предельный ток I-max равен 10 мА.
В этом примере катушка 2101 включает в себя число N витков между 500 и 10000 включительно, преимущественно выбранных в зависимости от командного напряжения Vcmd. Таким образом, предельный ток I-max в данном случае равен I-min x 1,2/N, или предпочтительно I-min x 1,1/N или более предпочтительно I-min x 1,05/N. Например, в зависимости от командного напряжения Vcmd предельный ток I-max находится между 15 мА и 265 мА включительно.
Благодаря выбору значения предельного тока I-max подача тока в катушку 2101 оптимизируется в зависимости от характеристик исполнительного механизма 210 таким образом, чтобы в катушку 2101 подавалось количество энергии, достаточное только для перемещения соединительного элемента 2102 путем размагничивания магнита для того, чтобы ослабить действие пружины, но не намного больше, чем это необходимо для этого перемещения. Это позволяет избежать ненужного потребления энергии и поэтому снижает тепловыделение.
В этом примере, когда командным сигналом Vcmd является электрическое напряжение, устройство 220 управления выполнено с возможностью электрического возбуждения с помощью этого командного сигнала Vcmd.
С этой целью устройство 220 управления преимущественно включает в себя выпрямитель 2209 напряжения, который соединен с входом 230. В данном случае выпрямитель 2209 представляет собой однополупериодный выпрямитель. В этом примере используется диод D1, подсоединенный к входу 230.
В качестве альтернативы, выпрямитель 2209 является двухполупериодным выпрямителем. Исполнительный механизм 210 может затем использоваться в расцепителе 20, предназначенным для управления либо командным сигналом Vcmd напряжения постоянного тока либо командным сигналом Vcmd напряжения переменного тока.
Таким образом, устройство 220 управления может надежно функционировать без использования какого-либо встроенного источника энергии, за исключением энергии, которую несет в себе командный сигнал Vcmd.
В данном случае устройство 220 управления включает в себя источник 2201 питания с регулируемым напряжением и с ограничением по току и модуль 2206 возбуждения. В этом примере модуль 2206 возбуждения включает в себя программируемый микроконтроллер или микропроцессор.
В данном случае источник 2201 питания соединен последовательно с катушкой 2101 между входом 230 и электрическим заземлением GND.
Источник 2201 питания выполнен с возможностью подачи напряжения Vcc питания сразу после его возбуждения командным сигналом Vcmd. Более того, источник 2201 питания выполнен с возможностью подачи в катушку 2101 электрического тока с максимальной амплитудой, равной предельному току I-max в том случае, когда он получает команды из модуля 2206 возбуждения.
С этой целью источник 2201 питания включает в себя регулятор 2202 напряжения и ограничитель тока 2203.
В данном случае регулятор 2202 напряжения является линейным регулятором, содержащим резистор R, стабилитрон Z и cиловой транзистор 2204. Диод Z и резистор R соединены последовательно между выходом выпрямителя 2209 и землей GND, и средняя точка между диодом Z и резистором R соединена с управляющим электродом транзистора 2204.
В данном документе транзистор 2204 представляет собой полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзистор). В качестве альтернативы, его можно заменить силовым транзистором в виде биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT), в частности, если амплитуда командного сигнала Vcmd является более высокой. Тип используемого транзистора 2204 зависит от предполагаемой максимальной амплитуды командного сигнала Vcmd. На практике командный сигнал Vcmd может иметь максимальную амплитуду между 12 В и 690 В включительно.
Таким образом, регулятор 2202 напряжения выполнен с возможностью подачи напряжения Vcc питания на шину Vdd питания в том случае, когда командный сигнал Vcmd подается на вход 230. Например, напряжение Vcc представляет собой напряжение постоянного тока с амплитудой, равной 3,3 В.
Если командный сигнал Vcmd не подается на вход 230 регулятора 2202 напряжения, то источник 2201 питания не подает напряжение или ток.
Ограничитель 2203 тока выполнен с возможностью ограничения тока, протекающего в нем, предельным значением I-max, которое описано выше. Когда модуль 2206 возбуждения обеспечивает подачу тока в катушку 2101, ограничитель 2203 тока предотвращает превышение амплитуды этого тока выше предельного тока I-max.
Модуль 2206 возбуждения выполнен с возможностью электрического возбуждения напряжением Vcc питания и управления выработкой импульсов электрического тока посредством источника 2201 питания.
Более конкретно, модуль 2206 возбуждения запрограммирован на последовательную активацию и затем на запрет подачи электрического тока источником 2201 питания с регулируемым напряжением и с ограничением по току для выработки каждого импульса электрического тока, активации и затем запрета с разделением по времени, большим или равным заданному времени T-on.
Источник 2201 питания с регулируемым напряжением и с ограничением по току выполнен таким образом, чтобы поочередно подавать в катушку 2101 электрический ток в ответ на команду расцепления, поданную модулем 2206 возбуждения, и прерывать протекание этого электрического тока в ответ на команду прерывания, выработанную модулем 2206 возбуждения.
В этом примере устройство 220 управления включает в себя управляемый ключ T1, соединенный последовательно с катушкой 2101 и источником 2201 питания между входом 230 и электрическим землей GND. Управляющий электрод транзистора T1 электрически соединен с управляющим выходом модуля 2206 возбуждения.
В данном случае ключ T1 представляет собой МОП-транзистор.
В этом примере ключ T1 находится по умолчанию в закрытом состоянии и поэтому предотвращает протекание электрического тока между выходом источника 2201 питания и электрической землей и, следовательно, предотвращает возбуждение катушки 2101.
Когда модуль 2206 подает команду расцепления в транзистор T1, последний переходит в открытое состояние и, следовательно, предотвращает протекание электрического тока через катушку 2101.
Когда модуль 2206 подает команду прерывания в транзистор T1, последний возвращается в свое открытое состояние и снова предотвращает протекание электрического тока через катушку 2101.
Таким образом, модуль 2206 управляет источником 2201 питания посредством ключа T1.
Регулятор 2202 напряжения также предпочтительно включает в себя схему стабилизации напряжения Vcc питания. В данном случае схема стабилизации образована диодом D2 и конденсатором C, подключенным параллельно ключу T1 и последовательно между шиной Vdd питания и землей GND. Назначение этой схемы стабилизации состоит в том, чтобы предотвратить падение напряжение Vcc питания при работе модуля 2206 возбуждения и особенно в том случае, когда ключ T1 переходит в открытое состояние.
Устройство управления предпочтительно включает в себя датчик 2205 для измерения тока, протекающего через катушку 2101. Таким образом, модуль 2206 возбуждения запрограммирован на подачу команды запрещения подачи тока путем подачи команды прерывания по истечении заданного времени T-on, причем это время отсчитывается в обратном порядке модулем 2206 возбуждения, начиная с момента времени, при котором ток, измеренный измерительным датчиком 2205, превышает пороговое значение I-min.
В данном случае измерительный датчик 2205 представляет собой прецизионный резистор, соединенный последовательно с катушкой 2101 и подключенный к измерительному входу модуля 2206 возбуждения.
На фиг. 2 показано в качестве функции времени t изменение командного сигнала ключа T1, подаваемого модулем 2206, между его открытым состоянием, обозначенным "Вкл." и его закрытым состоянием, обозначенным "Выкл.". Момент времени, который упоминается как "время срабатывания", в который модуль 2206 подает команду расцепления, чтобы заставить ключ T1 перейти в открытое состояние, обозначен t0.
Как показано на фиг. 3, с этого момента времени t0 ток увеличивается до тех пор, пока он не достигнет предельного тока I-max, установленного ограничителем 2203 тока.
Скорость, с которой нарастает ток с момента времени t0, зависит от положения соединительного элемента 2102. В зависимости от того, находится ли элемент 2102 в исходном положении или расцепленном положении, значение индуктивности катушки 2101 не является одинаковым. В данном случае индуктивность катушки 2101 выше, когда элемент 2102 находится в исходном положении. Фактически, отклик катушки 2101 на ток, проходящий через него, является различным.
С помощью кривой C1 показано изменение тока, протекающего в катушке 2101 после момента времени t0, когда элемент 2102 находится в расцепленном положении.
Момент времени, в который этот ток превышает пороговое значение I-min, обозначен "t1". После этого момента времени t1 ток продолжает возрастать до тех пор, пока не достигнет предельного значения тока I-max. Модуль 2206 возбуждения производит обратный отсчет истекшего времени, например, посредством таймера, начиная с момента времени t1, при поддержании ключа T1 в открытом состоянии.
Когда отсчитанное в обратном порядке время превышает заданное время T-on, модуль 2206 возбуждения подает команду прерывания в момент времени t3. Ключ T1 возвращается в свое закрытое состояние, и ток, имеющий пороговое значение, прекращает протекать в катушке 2101.
С помощью кривой C2 показано изменение интенсивности тока, протекающего в катушке после момента времени t0, когда элемент 2102 находится в исходном положении.
Из-за различия в индуктивности катушки 2101, электрический ток увеличивается с момента времени t0 более медленно, чем на кривой C1.
Момент времени, при котором ток превышает пороговое значение I-min, обозначен "t2". Разность между моментами временами t2 и t0 больше, чем разность между моментами времени t1 и t0.
После этого момента времени t2 ток продолжает увеличиваться до тех пор, пока он не достигнет предельного тока I-max. Как и прежде, модуль 2206 возбуждения поддерживает ключ T1 в открытом состоянии и подает команду прерывания в момент времени t4 по истечении времени T-on. Затем ток прекращает протекать через катушку 2101.
Таким образом, модуль 2206 возбуждения не позволяет протекать электрическому току дольше, чем это необходимо для формирования импульса с длительностью T-on, что уменьшает потребление электроэнергии расцепителя 20 и поэтому снижает тепловыделение.
Если быть более точным, если бы такая регулировка не применялась, то нужно было бы задавать время закрытия транзистора T1, равное разности между моментами времени между t4 и t0 исходя из сценария наихудшего случая, который заключается в том, что самоиндукция катушки является минимальной, чтобы быть всегда уверенным в том, что импульс всегда имеет длительность, по меньшей мере равную времени T-on независимо от состояния катушки 2101. В этом случае длительность импульса будет слишком большой, так как ток будет непрерывно подаваться между моментами времени t3 и t4, когда катушка 2101 получила достаточно энергии для обеспечения перемещения элемента 2102. Таким образом, будет бесполезно вырабатываться избыточное тепло, так как тока, подаваемого между моментами времени t1 и t3, достаточно, чтобы возбудить катушку и вызвать переключение.
Модуль 2206 возбуждения предпочтительно включает в себя модуль обнаружения, выполненный с возможностью обнаружения характера командного сигнала Vcmd и, в частности, определения того, является ли электрическое напряжение постоянным или переменным. В данном случае это определение основано на напряжении Vdd питания.
Кроме того, модуль 2206 возбуждения запрограммирован на обнаружение характера командного сигнала, используя этот модуль обнаружения, и настройку временной синхронизации для подачи команд расцепления и, в частности, для того, чтобы:
- автоматически синхронизировать выработку импульсов электрического тока с командным сигналом Vcmd, когда командный сигнал Vcmd обнаруживается как напряжение постоянного тока или напряжение переменного тока, то есть когда напряжение Vdd питания обнаруживается как однополупериодное или двухполупериодное выпрямленное напряжение переменного тока, причем эта синхронизация осуществляется путем выработки команд расцепления в моменты времени, в которые командный сигнал Vcmd предполагается равным нулю, поочередно,
- подавать команды выработки импульсов электрического тока с заданным периодом, если командный сигнал Vcmd обнаружен как напряжение постоянного тока.
Синхронизация с командным сигналом Vcmd позволяет вырабатывать импульс электрического тока, когда он имеет минимальное значение, и, следовательно, ограничивать потребляемую мощность устройства 220 управления.
Модуль 2206 возбуждения предпочтительно запрограммирован таким образом, чтобы время между двумя последовательными импульсами было меньше или равно 100 мс, предпочтительно меньше или равно 50 мс.
Это время или интервал времени обозначается T-off и определяется как временной интервал между двумя импульсами тока, которые больше или равны пороговому значению I-min. В этом примере время T-off равно 40 мс.
Циклическое отношение между временем T-on и временем T-off, которое определяется как отношение T-on/T-off между временами T-on и T-off, предпочтительно, находится между 1/10 и 1/100 включительно, предпочтительно равно 1/40, что позволяет снизить потребляемую мощность.
Это время выбрано для ограничения риска отказа автоматического выключателя 10 из-за размыкания. Как известно, механизмы 110 переключения перекидного типа имеют предельное положение P1 при размыкании и положение P2 мертвой точки при замыкании. Эти точки P1 и P2 соответствуют промежуточным положениям механизма переключения между разомкнутым состоянием и замкнутым состоянием.
Точка P1 соответствует положению механизма 110, из которого гарантируется размыкание автоматического выключателя. Другими словами, когда механизм 110 проходит точку P1 после выхода из замкнутого положения, гарантируется размыкание автоматического выключателя 10. Точка P1 соответствует положению отпускания компонента механизма 110 расцепления, известного как срабатывание "полумесяца".
Альтернативно, точка P1 совпадает с разомкнутым положением автоматического выключателя 10.
Точка P2 соответствует положению механизма 110, из которого больше нельзя предотвратить замыкание автоматического выключателя. Другими словами, когда механизм 110 проходит точку P2 после выхода из разомкнутого положения, замыкание автоматического выключателя 10 является надежным. Это происходит из-за действия механических пружин в механизме 110 переключения.
Таким образом, этот выбор значения времени T-off позволяет гарантировать, что по меньшей мере один импульс вырабатывается модулем 2206 тогда, когда механизм 110 переключения находится между точками P1 и P2, когда он перемещается между замкнутым и разомкнутым состояниями. Благодаря этому импульсу соединительный элемент 2102 снова переходит в свое расцепленное положение и снова вызывает размыкание автоматического выключателя прежде, чем механизм 110 переключения пройдет точку P2.
Устройство 220 управления также предпочтительно включает в себя аналоговый модуль 2208 возбуждения, также выполненный с возможностью выработки одиночного импульса электрического тока с интенсивностью большей или равной заданному первому пороговому значению I-min, сразу после приема командного сигнала Vcmd устройством 220 управления.
Этот аналоговый модуль 2208 возбуждения расположен отдельно от модуля 2206 возбуждения. Аналогичным образом одиночный импульс тока, выработанный посредством этого модуля 2208, является отдельным от последовательности импульсов, выработанных посредством модуля 2206 возбуждения.
Как показано на фиг. 4, модуль 2208 включает в себя компаратор 2210 и перекидной механизм 2211 с одним устойчивым состоянием. Со своей стороны, устройство 220 управления включает в себя управляемый ключ T2, который идентичен ключу T1, например.
В данном случае ключ T2 соединен параллельно ключу T1 между источником 2201 питания и землей GND. Что касается источника 2201 питания, то назначение ключа T2 аналогично назначению, которое описано для ключа T1 в отношении модуля 2206.
Компаратор 2210 выполнен с возможностью сравнения напряжения Vcc питания с заданным контрольным значением Vref.
Как показано на фиг. 5, когда напряжение Vcc питания подается и превышает контрольное значение Vref, компаратор 2210 подает на вход перекидного механизма 2211 с одним устойчивым состоянием напряжение, обозначенное здесь как V1.
Например, значение Vref равно 3 В.
Перекидной механизм 2211 с одним устойчивым состоянием выполнен с возможностью подачи на свой выход одиночного импульса напряжения, имеющего заданную длительность T'. Этот выход подсоединен к управляющему электроду транзистора T2, и этот импульс служит в качестве команды для переключения ключа T2.
Перекидной механизм 2211 с одним устойчивым состоянием выбирается так, чтобы иметь время T' достаточно продолжительное для того, чтобы гарантировать, что выработанный импульс электрического тока имеет длительность больше, чем время T-on. В качестве иллюстративного примера в данном документе время T' равно 18 мс в данном случае.
В качестве альтернативы, ключ T2 может быть опущен. В этом случае модуль 2208 выполнен с возможностью управления ключом T1 параллельно с модулем 2206, например, посредством логической схемы "И", на которую подаются команды, поданные модулями 2206 и 2208, и которые управляют ключом T1, соответственно.
Модуль 2208 используется в дополнение к модулю 2206 и позволяет гарантировать, что по меньшей мере один импульс электрического тока подается в катушку 2201 сразу после приема командного сигнала Vcmd на входе 230 даже в случае отказа модуля 2206. Этот одиночный импульс имеет длительность и интенсивность, достаточные для того, чтобы обеспечить перемещение элемента 2102 в свое расцепленное положение.
Фактически, так как в основе модуля 2208 используются простые аналоговые компоненты, а не программируемые микроконтроллеры или микропроцессоры, его работа является более надежной и более устойчивой, чем работа модуля 2206. Это гарантирует безотказную работу расцепителя 20.
Хотя модуль 2208 не позволяет оптимизировать длительность одиночного импульса настолько точно, как это позволяет выполнить модуль 2206, это не является проблемой, потому что только один импульс тока вырабатывается посредством модуля 2208 каждый раз, когда инициируется командный сигнал Vcmd. Таким образом, дополнительные затраты энергии становятся минимальными.
В показанном примере среднее потребление расцепителя 20 в условиях устойчивого состояния меньше или равно 1 Вт, и в переходных режимах при включении питания, то есть при приеме командного сигнала Vcmd, его потребление меньше или равно 10 Вт. Для сравнения, в известных расцепителях с моторизованным приводом среднее потребление в условиях установившегося режима составляет более 5 Вт, и потребление в переходных режимах составляет более 30 Вт. Таким образом, настоящее изобретение позволяет значительно снизить тепловыделение.
Пример работы распределительного устройства 1 и расцепителя 20 описан ниже со ссылкой на блок-схему последовательности операций, показанную на фиг. 6, и с помощью фиг. 1-5.
Сначала на этапе 1000 автоматический выключатель 10 находится в замкнутом состоянии, позволяя электрическому току питания протекать между его входным и выходным выводами. Командный сигнал Vcmd не поступает на вход 230. Соединительный элемент 2102 поддерживается в исходном положении. Электрический ток не подается в катушку 2101.
Затем на этапе 1002 командный сигнал Vcmd подается на вход 230 расцепителя 20, например, в ответ на нажатие пользователем кнопки аварийного останова, чтобы разомкнуть автоматический выключатель 10.
Это напряжение Vcmd возбуждает выпрямитель 2209 и, следовательно, источник 2201 питания. Так как оба транзистора T1 и T2 находятся в открытом состоянии, в этот момент времени ток не протекает через катушку 2101. Таким образом, в этот момент времени источник 2201 питания не подает никакого электрического тока. Однако регулятор 2202 напряжения вырабатывает напряжение Vcc на шине питания, которое, в свою, очередь, возбуждает модули 2206 и 2208 возбуждения.
На этапе 1004 модуль 2208 возбуждения подает команду в источник 2201 питания на выработку одиночного импульса тока, предназначенного для катушки 2101.
Например, сразу после возбуждения модуля 2208 возбуждения, так как напряжение Vcc питания больше, чем контрольное значение Vref, компаратор 2210 подает напряжение V1 на вход перекидного механизма 2211 с одним устойчивым состоянием.
В ответ на это перекидной механизм 2211 с одним устойчивым состоянием переходит в возбужденное состояние на время T', в течение которого он подает на свой выход ненулевое напряжение V2, и затем возвращается в состояние покоя в конце этого времени T'. Таким образом, перекидной механизм 2211 с одним устойчивым состоянием подает команду переключения для того, чтобы открыть, а затем закрыть ключ T2 с задержкой на это время T'.
Следовательно, на этапе 1006 катушка 2101 размагничивает магнит и позволяет пружине перейти в свое ненагруженное положение, которое позволяет обеспечить перемещение соединительного элемента 2102 из своего состояния покоя в расцепленное состояние. Соединительный элемент 2102 действует на механизм 110 переключения для размыкания автоматического выключателя 10.
Параллельно с этапом 1004 модуль 2206 возбуждения возбуждается напряжением Vcc питания для того, чтобы выработать последовательность импульсов тока.
Таким образом, на этапе 1008 модуль 2206 возбуждения автоматически обнаруживает, является ли командный сигнал Vcmd напряжением постоянного тока или переменного тока.
Если определяется, что командный сигнал Vcmd представляет собой напряжение постоянного тока, то на этапе 1010 периодически вырабатываются импульсы тока в данном случае с периодом, равным времени T-off. Для каждого импульса, начиная с момента времени t0 срабатывания ключа T1, модуль 2206 возбуждения преимущественно обнаруживает с помощью датчика 2205 тока момент времени, в который ток, протекающий в катушке 2101, становится больше или равным пороговому значению I-min, и затем после этого подает команду прерывания на ключ T1 по истечении времени T-on.
С другой стороны, если обнаруживается, что командный сигнал Vcmd представляет собой напряжение переменного тока, то на этапе 1012 вырабатываются импульсы тока способом, синхронизированным со временем, в течение которого командный сигнал Vcmd обнаруживается как имеющий нулевое значение. Более конкретно, это относится к моменту времени t0 расцепления, в течение которого модуль 2206 возбуждения подает команду на срабатывание ключа T1, которые синхронизированы с временами, в течение которых обнаруживается командный сигнал Vcmd как имеющий нулевое значение. Выработка каждого из импульсов, начиная с этого момента времени t0 расцепления, в данном случае является такой же, как и выработка, описанная для этапа 1010.
Импульсы, выработанные посредством модуля 2206 возбуждения, обеспечивают переключение автоматического выключателя 10 в разомкнутое состояние и/или позволяют поддерживать его в разомкнутом состоянии. На этапе 1006 до тех пор, пока командный сигнал Vcmd подается на вход 230, модуль 2206 возбуждения продолжает вырабатывать импульсы таким образом, чтобы катушка 2101 продолжала размагничивать магнит для того, чтобы позволить пружине оставаться в своем ненагруженном положении и, таким образом, удерживать соединительный элемент 2102 в своем расцепленном состоянии.
Наконец, на этапе 1014 командный сигнал Vcmd перестает подаваться и больше не поступает на вход 230. Подача напряжения из источника 2201 питания прерывается, и напряжение Vcc питания падает до нуля. Затем модуль 2206 возбуждения прекращает свою работу, и в дальнейшем импульсы электрического тока не подаются на катушку 2101.
Затем оператор может привести вручную автоматический выключатель 10 в замкнутое состояние посредством рычага управления. Описанный выше процесс можно затем повторить.
Варианты осуществления и варианты, предусмотренные выше, могут быть объединены друг с другом для выработки новых вариантов осуществления.