ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПРИВОД КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА Российский патент 1997 года по МПК H01F7/08 H01H47/32 

Изобретение относится к электромагнитным приводам коммутационных аппаратов среднего напряжения, в частности к электромагнитным приводам вакуумных выключателей класса напряжения от 6 до 35 кВ.

Известны электромагнитные приводы, в которых коммутация токов, протекающих при работе во включающих катушках, производится с помощью контактора, управляемого блок-контактами [1] что увеличивает габариты привода и время коммутации, дает сравнительно небольшой ресурс меньший электроизносостойкости вакуумных выключателей.

Известны устройства для управления электромагнитными приводами [2] содержащие катушку электромагнита с якорями, выводы для подключения источника постоянного тока, электронный ключ на основе тиристоров, времязадающее устройство, резисторы, диоды.

Недостатками данной конструкции являются: довольно сложная, с несколькими силовыми электронными элементами, схема управления и увеличенные габариты из-за невозможности использования электролитических конденсаторов вследствие изменения полярности на конденсаторе; невозможность применения выпрямленного двухполупериодного тока; пониженная помехоустойчивость к изменяющимся магнитным полям, так как даже кратковременный импульс по цепи управления тиристора вызовет полный процесс непредусмотренной коммутации привода и аппарата.

Известно устройство управления электромагнитным приводом [3] в котором коммутация тока катушки электромагнита осуществляется электронным ключом на основе встречно-параллельных тиристоров, подключенных к источнику переменного тока и управляемых контактами реле, с последующим выпрямлением диодным мостом.

Недостатки устройства: уменьшение тягового усилия магнита из-за питания катушки двухполупериодным выпрямленным током, увеличенное время отключения тиристоров из-за требования прохождения тока через ноль после отключения контактов реле, невозможность работы от источника постоянного тока.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является коммутирующее устройство [4] в котором коммутация тока катушки электромагнита (отбойной катушки) осуществляется с помощью транзистора n-p-n-типа. Электромагнитный привод коммутационного аппарата содержит катушку электромагнита с якорем, выводы для подключения источника постоянного тока, электронный ключ на основе транзистора n-p-n-типа, в цепи базы которого имеются диод, контакт управления, два резистора и конденсатор, катушка электромагнита включена между выводом для подключения положительного полюса источника постоянного тока и коллектором транзистора.

Схема проста, но имеет существенные недостатки: отключение транзистора происходит при медленном уменьшении тока его базы по мере заряда конденсатора. При этом транзистор медленно переходит из режима насыщения в режим усиления, вследствие чего на коллекторном переходе выделяется большая энергия, что может привести к выходу транзистора из строя. По этой причине устройство не может работать от источника выпрямленного двухполупериодного тока. В схеме не предусмотрено рассеяние избыточной электромагнитной энергии катушки после обрыва тока, из чего следует, что вся эта энергия выделяется в транзисторе. Это положение подтверждается отсутствием защиты транзистора от перенапряжения, хотя коммутирует он индуктивную нагрузку. В целом такое устройство пригодно для коммутации токов до нескольких ампер.

Задачей изобретения является повышение тяговых характеристик, быстродействия привода, расширение зоны регулирования продолжительности работы катушки, повышение надежности и срока службы, расширение применимости в использовании источников питания, а также уменьшение габаритов привода и упрощение его обслуживания.

Поставленная задача достигается за счет того, что в электромагнитном приводе коммутационного аппарата, содержащем катушку электромагнита с якорем, электронный ключ на основе транзистора n-p-n-типа, в цепь питания базы которого включен первый диод, элемент управления, первый и второй резисторы и первый конденсатор, причем катушка электромагнита включена между положительным полюсом источника постоянного или выпрямленного тока и коллектором транзистора, а эмиттер транзистора подключен к отрицательному полюсу источника постоянного или выпрямленного тока, в качестве транзистора использован транзистор типа Дарлингтона с предусилением по общему коллектору, в цепь питания базы которого введен пороговый элемент типа стабилитрона, причем пороговый элемент подключен анодом к базе транзистора, а катодом ко второму резистору, другой конец этого резистора подключен к коммутационному элементу, второй конец которого подключен к общей точке первого резистора и первого конденсатора, второй конец которого подключен к отрицательному полюсу источника постоянного или выпрямленного тока, второй конец первого резистора подключен к катоду первого диода, анод которого подключен к положительному полюсу источника постоянного или выпрямленного тока. Кроме того дополнительно введен блок отключения и защиты в виде трехполюсника, содержащего третий, четвертый, пятый шестой резисторы, второй конденсатор, второй диод, порогово-ключевой элемент и контакт, кинематически связанный с якорем привода, причем конец первой ветки трехполюсника, образованный последовательно включенными третьим резистором и контактом и параллельным им четвертым резистором, присоединен к цепи базы в общей точке второго резистора и элемента управления, вторая ветвь трехполюсника, состоящая из второго диода, присоединена анодом к цепи базы в общей точке второго резистора и катода порогового элемента, а к средней точке трехполюсника эта ветвь присоединена катодом второго диода, третья ветвь трехполюсника, состоящая из порогово-ключевого элемента и шунтирующей его RC-цепочки из второго конденсатора и пятого резистора, присоединена к средней точке со стороны анода порогово-ключевого элемента, а вывод третьей ветви со стороны катода порогово-ключевого элемента присоединен к отрицательному полюсу источника постоянного или выпрямленного тока, а второй конденсатор шунтирован шестым резистором.

Кроме того, элемент управления может быть выполнен в виде тиристора, цепь управления которого, состоящая из последовательно включенных третьего конденсатора и контакта управления, присоединена к аноду и управляющему электроду, а третий конденсатор шунтирован седьмым резистором.

На фиг. 1,а представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого электромагнитного привода; на фиг.1,б вариант выполнения коммутирующего элемента в виде тиристора; на фиг.1,в вид кривых изменения во время тока в катушке привода, пунктирная линия при работе контактора или тиристорного ключа с диодным выпрямляющим мостом; пунктир до момента t₂ или сплошная линия для питания от источника постоянного тока; штрихпунктирная линия для коллектора с питанием постоянным током.

Электромагнитный привод включателя содержит катушку 1 электромагнита с якорем, силовой транзистор 2 типа Дарлингтона в виде единого элемента или составного из нескольких транзисторов с соединением коллекторов ступеней усиления в одну точку, блок отключения и защиты, выполненный в виде трехполюсника 3.

Цепь питания базы транзистора 2 состоит из последовательно включенных между полюсами источника питания первого диода 4, первого резистора 5 и первого конденсатора 6, последовательно включенных между общей точкой "а" первого резистора 5 и первого конденсатора 6 и базой транзистора 2 элемента управления 7 в виде контакта, второго резистора 8 и порогового элемента 9 типа стабилитрона.

Катушка 1 привода включена между положительным полюсником источника питания и коллектором транзистора 2, эмиттер которого подключен к отрицательному полюсу источника питания.

Катушка 1 привода зашунтирована диодом 10, переход коллектор-эмиттер транзистора 2 зашунтирован цепью 11 защиты от перенапряжений в виде, например, RC-цепочек и(или) ограничителя напряжения.

Блок отключения и защиты 3 представляет собой трехполюсник, первую ветвь которого образуют параллельные цепи из третьего резистора 12 с последовательным контактом 13 и четвертого резистора 14. Контакт 13 кинематически связан с якорем электромагнита включения привода (на чертеже не показан). Конец первой ветви трехполюсника присоединен к цепи базы в общей точке "Е" элемента управления 7 и второго резистора 8.

Вторую ветвь трехполюсника образует второй диод 15, присоединенный анодом к цепи базы в общей точке "г" второго резистора 8 и порогового элемента 9.

Третью ветвь трехполюсника 3 составляют ветви RC-цепочки из пятого резистора 16 и второго конденсатора 17 и параллельного им порогово-ключевого элемента 18, например, динистора, присоединенного анодом к средней точке "в" трехполюсника, а катодом к отрицательному полюсу источника питания. Второй конденсатор 17 шунтирован шестым резистором 19.

Переход эмиттер-база транзистора 2 шунтирован диодом 20.

В другом варианте (фиг.1б) элемент управления 7 выполнен в виде тиристора 21, в цепи управления которого последовательно включены управляющий контакт 22 и третий конденсатор 23, зашунтированный резистором 24, цепь управления тиристора подключена с одной стороны к его аноду, а с другой стороны -к управляющему электроду. Электромагнитный привод работает следующим образом.

При подаче команды на включение выключателя (замыкании контакта элемента управления 7) по цепи: первый конденсатор 6, контакт 7, второй резистор 8, пороговый элемент 9, переход база эмиттер транзистора 2 начинает протекать ток от предварительно заряженного конденсатора 6; транзистор 2 скрывается и по катушке 1 привода начинает протекать рабочий ток. Происходит включение привода и выключателя. В конце включения замыкается контакт 13, связанный кинематически с якорем электромагнита привода. Часть тока цепи базы через третий резистор 12, контакт 13 и пятый резистор 16 дозаряжает второй конденсатор 17, заряжавшийся до этого через четвертый резистор 14, до напряжения открытия динистора 18. При открытии динистора 18 перед стабилитроном 9 устанавливается положительный потенциал, равный падению напряжения на втором диоде 15 и динисторе 18. Если напряжение стабилизации стабилитрона 9 больше указанного потенциала, то ток через переход база-эмиттер обрывается за микросекунды. При этом транзистор 2 отключается также через микросекунды. Протекающий в этот момент по катушке 1 ток переходит в ветвь диода 10. Накопленная в катушке электромагнитная энергия рассеивается в активном сопротивлении катушки. Для повышения быстродействия привода последовательно с диодом 10 можно включить резистор. Но это приводит к повышению напряжения на отключающемся транзисторе 2, т.е. требуется более высокий класс транзистора по направлению.

При резком обрыве транзистором 2 тока и немгновенном открытии диода 10 возникают высокие перенапряжения на коллекторном переходе, способные привести ко вторичному пробою транзистора и выходу его из строя. Эти перенапряжения ограничиваются ОПН 11.

В момент замыкания контакта 13 напряжения на втором конденсаторе 17 ниже напряжения открытия динистора 18, но выше падения напряжения на стабилитроне 9 и переходе база-эмиттер. Величина сопротивления третьего резистора 12 выбирается с учетом величины емкости второго конденсатора 17 из условия задержки выключения транзистора 2 после замыкания контакта 13 для обеспечения надежной установки привода выключателя на защелку, так как контакт 13 переключается до полной остановки якоря привода. Кроме того, резистор 12 должен ограничить ток разряда конденсатора 6 при включении контакта 13 через открывшийся динистор 18.

На фиг.1в моменту остановки якоря электромагнита включения привода соответствует момент времени t₁, моменту отключения транзистора 2 по предлагаемому изобретению соответствует момент времени t₂. Причем сплошная линия соответствует питанию привода от источника постоянного тока. Пунктирная линия до t₂ и далее сплошная линия соответствует работе привода по предлагаемому изобретению при питании от источника выпрямленного двухполупериодного тока. При этом ток базы транзистора до t₂ близок к экспоненте разряда конденсатора 6 (если пренебречь малым током заряда конденсатора 17) и он обеспечивает режим насыщения транзистора 2. Пунктирная линия соответствует работе привода с тиристорным ключом и диодным выпрямляющим мостом. Прерывание тока через катушку происходит не сразу после снятия сигнала управления с тиристоров, а после прохождения тока через ноль. Поэтому выводимая из катушки 1 электромагнитная энергия, пропорциональная квадрату тока, будет наименьшая в предлагаемом изобретении (i₂<i₃). Сплошная и штрихпунктирная линия соответствует питанию от источника постоянного тока привода с контактором. Этому случаю соответствует наибольшая запасенная в катушке электромагнитная энергия и наименьшее быстродействие привода.

Время задержки Δt = t₂-t₁, определяемое подбором величин сопротивления резистора 12 и емкости конденсатора 17, обеспечивает надежную установку привода на защелку во включенном положении включателя. Целесообразно иметь это время минимальным. Обычно достаточно время задержки в несколько миллисекунд. В случае недовключения привода или отказа контакта 13 произошел бы тепловой пробой и выход из строя транзистора, а затем катушки привода. Для предотвращения этого предусмотрена цепь четвертого резистора 14, через который происходит непрерывная зарядка второго конденсатора 17 с момента включения контакта 7, в результате чего через расчетное время напряжение на этом конденсаторе и резисторе 16 нарастает до напряжения открытия динистора 18 и транзистор 2 отключается.

Время замкнутого состояния элемента управления 7 значительно больше времени включения выключателя. За это время конденсаторы 6 и 17 практически полностью разрядятся через диод 15 и динистор 18, так как ток удержания последнего очень мал. Полностью конденсатор 17 разрядится через резистор 19 после отключения контакта 7.

В случае, если выключатель предназначен для работы в режиме автоматического повторного включения (АПВ), величину резистора 5 следует выбирать из условия заряда конденсатора 6 за достаточно большое время. При времени меньшем заданного, при непредусмотренном включении контакта 7 ток в цепи базы должен быть меньше тока открытия транзистора.

Первый диод 4 отделяет цепь управления от силовой цепи, второй диод 15 отделяет цепь базы от блока отключения. При отсутствии диода 15 на динисторе 18 будет напряжение равное падению напряжения на стабилитроне 9 и переходе база-эмиттер, и он не открывается. Диод 20 защищает переход база-эмиттер от недопустимых обратных напряжений из-за паразитных емкостей и индуктивностей.

В рассмотренном варианте выполнения элемента управления 7 в виде контакта реле или механического ключа они должны быть замкнуты в течение всего процесса включения выключателя. Дребезг контакта 7 при его включении практически не влияет на процесс работы катушки 1 электромагнита. Если необходимо запускать схему коротким импульсом, целесообразно выполнять элемент управления 7 в виде электронного элемента типа тиристора 21 (фиг.1б). При этом контакт 22 может быть как механическим, так и электронным. В этом варианте достаточно кратковременного замыкания контакта 22. После открытия тиристора 21 процесс включения привода проходит, как описано выше. После разряда конденсатора 6 тиристор 21 закроется, если через него будет протекать ток, меньший тока удержания. При питании схемы от источника двухполупериодного выпрямленного тока и достаточно большой величине резистора 5 закрытие тиристора 21 происходит при естественном приближении тока питания к нулю после разряда конденсатора 6 даже при замкнутом контакте 22, если ток в цепи управления тиристора будет меньше тока включения.

Чем больше статический коэффициент усиления транзистора 2 по току, тем меньше нужна емкость конденсатора 6, тем меньше мощность элементов цепи питания базы и блока защиты и отключения При токе базы в десяти миллиампер коммутируются токи в катушке в десятки ампер и получаются тяговые усилия привода в тысячи ньютон. Коммутационный ресурс транзисторного ключа на несколько порядков выше ресурса привода, что обеспечивает высокую надежность. Габариты предлагаемого транзисторного ключа минимальны, схема управления автономна и легко встраивается в силовую часть привода.

Выключение транзистора как по положению привода, так и по времени его работы обеспечивает высокую надежность как в нормальном, так и в аварийном режимах. Наличие задержки по времени от момента замыкания контакта 13, обеспечивающего отключение транзистора 2 по положению, до выключения транзистора обеспечивает надежную установку привода на защелку при разных скоростях движения якоря привода в конце включения. Привод универсален при работе от различных источников питания: как от постоянного тока, так и от выпрямленного двухполупериодного. Привод обеспечивает блокировку включения при одновременной команде на отключение в цикле АПВ подбором достаточной величины резистора 5.

Испытания опытного образца электромагнитного привода с транзисторным ключом показали его высокую надежность как в нормальных, так и в аварийных режимах работы. При этом коммутировался ток до 100 А при динамической индуктивности в момент коммутации до 0,1 Гн.

Использование: в электромагнитных приводах выключателей среднего напряжения, в частности вакуумных выключателей класса напряжения 6-35 кВ. Сущность изобретения: электромагнитный привод содержит силовой транзисторный ключ в виде транзистора типа Дарлингтона с большим статическим коэффициентом передачи по току. При этом отключение транзистора осуществляется как по положению привода, так и от временной уставки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электромагнитный привод коммутационного аппарата, содержащий катушку электромагнита с якорем, электронный ключ на основе транзистора n р - n-типа, в цепь питания базы которого включен первый диод, элемент управления, первый и второй резисторы и первый конденсатор, причем катушка электромагнита включена между положительным полюсом источника питания и коллектором транзистора, а эмиттер транзистора подключен к отрицательному полюсу источника питания, отличающийся тем, что в качестве источника питания использован источник постоянного или выпрямленного тока, в цепь базы транзистора включен пороговый элемент типа стабилитрона, причем пороговый элемент подключен анодом к базе транзистора, а катодом к второму резистору, другой конец которого подключен к элементу управления, второй конец которого подключен к общей точке первого резистора и первого конденсатора, второй конец которого подключен к отрицательному полюсу источника постоянного или выпрямленного тока, второй конец первого резистора подключен к катоду первого диода, анод которого подключен к положительному полюсу источника постоянного или выпрямленного тока, кроме того, дополнительно введен блок отключения и защиты в виде трехполюсника, содержащего третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, второй конденсатор, второй диод, порогово-ключевой элемент и контакт, кинематически связанный с якорем электромагнита, причем конец первой ветви трехполюсника, образованный последовательно включенными третьим резистором и контактом и параллельным им четвертым резистором, присоединен к цепи базы в общей точке второго резистора и элемента управления, вторая ветвь трехполюсника, состоящая из второго диода, присоединена анодом к цепи базы в общей точке второго резистора и катода порогового элемента, а к средней точке трехполюсника эта ветвь присоединена катодом второго диода, третья ветвь трехполюсника, состоящая из порогово-ключевого элемента и шунтирующей его RC-цепочки из пятого резистора и второго конденсатора, присоединена к средней точке со стороны анода порогово-ключевого элемента, а вывод третьей ветви трехполюсника присоединен к отрицательному полюсу источника постоянного или выпрямленного тока со стороны катода порогово-ключевого элемента, кроме того, второй конденсатор шунтирован шестым резистором. 2. Привод по п. 1, отличающийся тем, что элемент управления выполнен в виде тиристора, цепь управления которого, состоящая из последовательно включенных третьего конденсатора и контакта управления, присоединена к аноду и управляющему электроду, а третий конденсатор шунтирован седьмым резистором.