КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК H01H9/30 

Изобретение относится к электрическим аппаратам и предназначено для обеспечения бездуговой коммутации электрических цепей.

Известно устройство [1] , в котором для облегчения условий коммутации активно-индуктивной нагрузки главный контакт снабжен контакт-деталью мостикового типа в виде пакета контактных пластин с различной проводимостью. Эти пластины, производя поочередно размыкание, обеспечивают ступенчатый рост сопротивления и постепенное уменьшение тока в размыкаемой цепи. Данное устройство позволяет увеличить ресурс контактной системы, однако и здесь бездуговое размыкание может быть достигнуто лишь при достаточно низких уровнях напряжения питания.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство [2] , содержащее главный контакт, зашунтированный цепью последовательно соединенных вспомогательных контактов, каждый из которых зашунтирован силовым резистором. Указанное устройство не обеспечивает фиксацию напряжения размыкания на вспомогательном контакте, что способствует образованию дуги.

Целью изобретения является обеспечение бездуговой коммутации и повышение энергетических показателей коммутирующего устройства.

В устройстве, содержащем общие с прототипом [2] источник питания, активно-индуктивную нагрузку, главный контакт и шунтирующую его цепь, составленную из последовательно соединенных вспомогательных контактов, указанная выше цепь по совершенствованию схемы коммутирующего устройства достигается тем, что главный контакт и вспомогательные контакты выполнены в виде контактных систем, содержащих группы подвижных и неподвижных контакт-деталей, совершающих при каждой коммутации относительно друг друга фиксированное скользящее перемещение, при этом подвижные контакт-детали главного и вспомогательных контактов объединены в один конструктивный узел и отделены друг от друга изолирующими промежутками, группа подвижных контакт-деталей вспомогательных контактов выполнена в виде ряда проводящих пластин, а промежутки между ними заполнены изолирующим материалом таким образом, что они вместе образуют гладкую монолитную рабочую поверхность, предназначенную для скольжения по ней неподвижных контакт-деталей вспомогательных контактов, выполненных в виде ряда разрезных щеток, элементы которых изолированы друг от друга и зашунтированы нелинейно-резистивным элементом, нелинейно-резистивные элементы всех разрезных щеток соединены в последовательную цепь, один вывод которой подключен к положительному выводу источника питания, а другой вывод - к положительному выводу цепи нагрузки, разрезные щетки и замыкающие их пластины смещены на одинаковые расстояния, равные двойному шаговому перемещению подвижная контакт-деталь главного контакта выполнена из проводящего материала и имеет зубцовую конфигурацию, причем промежутки между зубцами заполнены изолирующим материалом таким образом, что они вместе образуют гладкую монолитную рабочую поверхность, предназначенную для скольжения по ней неподвижных контакт-деталей главного контакта, выполненных в виде четного числа щеток, смещенных как и зубцы, на расстояния, равные двойному шаговому перемещению, выводы щеток нечетных номеров соединены в один узел, а выводы щеток четных номеров - в другой узел, причем один из узлов подсоединен к положительному выводу источника питания, а другой - к положительному выводу цепи нагрузки, нагрузка зашунтирована цепью из последовательно соединенных первого обратного диода и нелинейно-резистивного элемента.

Согласно п. 2 формулы изобретения коммутирующее устройство отличается тем, что к выводам нелинейно-резистивного элемента шунтирующей нагрузку цепи подключена первичная обмотка импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого через второй обратный диод подключены к выводам источника питания.

На чертеже схематически изображено коммутирующее устройство, подключающее к источнику питания 1 активно-индуктивную нагрузку 2.

Устройство содержит системы главного и вспомогательного контактов. Главный контакт содержит неподвижные контакт-детали, выполненные в виде четного числа щеток 3, из которых выводы щеток нечетных номеров соединены в один узел, подсоединяемый к положительному выводу источника питания 1, а выводы щеток четных номеров соединены в другой узел, подсоединяемый к положительному выводу нагрузки 2. Щетки 3 скользят по поверхности, образуемой зубцами проводящей контакт-детали 4 главного контакта и изолирующими промежутками 5. Системы вспомогательных контактов, шунтирующая главный контакт, содержит группу неподвижных контакт-деталей, выполненных в виде ряда разрезных щеток 6, элементы которых изолированы друг от друга и зашунтированы нелинейно-резистивным элементом 7, при этом нелинейно-резистивные элементы 7 всех разрезных щеток 6 соединены в последовательную цепь, один вывод которой подключен к положительному выводу источника питания 1, а другой - к положительному выводу нагрузки 2. Группа подвижных контакт-деталей вспомогательных контактов выполнена в виде ряда проводящих пластин 8, отделенных друг от друга изолирующими промежутками 9, образуя гладкую монолитную поверхность, по которой скользят щетки 6. Подвижные контакт-детали 4 и 8 главного и вспомогательных контактов изолированы друг от друга и объединены конструктивно в единый узел, механически связанный с подвижной частью шагового привода. Зубцы контакт-детали 4 и пластины 8, а также щетки 3 и 6 смещены на равные расстояния, равные двойному шаговому перемещению 2 α .

Подвижная часть коммутирующего устройства, составленная из элементов 4, 5, 8 и 9, на чертеже представлена схематически. Она может иметь различное конструктивное оформление в зависимости от применяемого в устройстве привода.

Если в качестве привода применяется вращающийся шаговый электродвигатель, то тогда подвижная часть вспомогательной контактной системы будет совершать однонаправленное шаговое поворотное перемещение. В этом случае подвижная часть будет являться телом вращения и механически связана с валом шагового электродвигателя.

Подвижная часть может совершать и возвратно-шаговое перемещение: поворотное или линейное, для чего потребуется в качестве привода соответствующий электродвигатель.

Нагрузка 2 зашунтирована цепью, состоящей из последовательно соединенных первого обратного диода 10 и нелинейно-резистивного элемента 11. К выводам элемента 11 подключена первичная обмотка импульсного трансформатора 12, вторичная обмотка которого через второй обратный диод 13 подключена к выводам источника питания 1.

Коммутирующее устройство, изображенное на чертеже, работает следующим образом.

В исходном (включенном) состоянии главный контакт, образуемый щетками 3 и зубцами проводящей контакт-детали 4, замкнут и ток нагрузки, вытекая из положительного вывода источника питания 1, разветвляется по щеткам 3 нечетных номеров, проходит через контактные соединения этих щеток с соответствующими зубцами контакт-детали 4, а затем через аналогичные соединения со щетками четных номеров и объединяющий их узел подходит к положительному выводу нагрузки 2.

Таким образом на пути от источника питания 1 к нагрузке 2 ток, разветвляясь по параллельными путям, образуемым группами щеток соответственно нечетного и четного номеров, проходит последовательно через два контактных зазора, что свойственно контакту мостикового типа. По сути здесь имеется несколько мостиковых контактов, определяемых количеством щеток в одной группе, включенных параллельно. Такая структура увеличивает эффективность главного контакта.

В исходном состоянии разрезные щетки 6 располагаются по оси симметрии пластин 8, которые перемыкают обе половины щеток 6, что создает последовательную цепь замкнутых вспомогательных контактов, шунтирующую главный контакт и нелинейно-резистивные элементы 7. В исходном состоянии ток протекает в основном через главный контакт, а через шунтирующие цепи протекают незначительные токи утечки.

В процессе смещения подвижного узла на один шаг α , равный половине расстояния между соседними щетками, первым размыкается контактная система главного контакта, так как ширина щетки 3 выбирается равной или меньшей, чем расстояние между набегающей гранью двойной щетки 6 и краем контактируемой с ней пластины 8 в направлении перемещения. В момент, когда щетка 3 покидает зубец контакт-детали 4, щетка 6 еще полностью контактирует с пластиной 8 и ток нагрузки переходит в цепь, составленную из последовательно соединенных вспомогательных контактов, образуемых щетками 6 и пластинами 8. Падение напряжения в этой цепи невелико (приблизительно 5 B), поэтому размыкание главного контакта будет буздуговым. Начало размыкания вспомогательных контактов приходится на момент, когда изолирующая прорезь щетки 6 начинает входить в изолирующий промежуток между пластинами 8. В этот момент щетка 3 будет сдвинута на значительное расстояние от зубца контакт-детали 4 и главный контакт приобретает значительную электрическую прочность, способную выдержать напряжение источника питания 1, не образуя дуги.

При полном смещении пластин 8 относительно щеток 6 на величину шагового перемещения α , когда прорези щеток 6 займут симметричное положение в изолирующих промежутках между пластинами 8, цепь вспомогательных контактов окажется разомкнутой. Так как пробивное напряжение нелинейно-резистивных элементов 7, шунтирующих разрезные щетки 6, выбирается по величине меньшим, чем напряжение образования короткой дуги, поэтому размыкание каждого отдельного вспомогательного контакта будет бездуговым. Суммарное пробивное напряжение цепи из элементов 7 выбирается большим, чем напряжение источника питания 1 плюс падение напряжения в цепи, шунтирующей нагрузку, т.е. в диоде 10 и нелинейно-резистивном элементе 11. Поэтому время протекания нагрузочного тока в цепи из нелинейно-резистивных элементов 7 будет очень мало и нагрузочный ток замкнется через шунтирующую цепь (элементы 10 и 11), в которой будет рассеяна энергия, накопленная в нагрузке. При этом основная часть энергии рассеивается в элементе 11, для чего последний должен быть снабжен достаточно мощным охладителем.

Дополнительное подключение трансформатора 12 и обратного диода 13 позволяет существенно разгрузить элемент 11. В этом случае напряжение пробоя элемента 11, будучи приложенным к первичной обмотке импульсного трансформатора 12, вызывает переходный процесс его включения, в результате чего начнет расти потребляемый ток и напряжение на его выходной обмотке (с учетом падения напряжения в диоде 13). Как только выходное напряжение трансформатора сравняется с напряжением источника питания, начнет расти ток, поступающий в источник питания (ток рекуперации). Одновременно будут расти вторичный и первичный токи трансформатора 12, а элемент 11 будет соответственно разгружаться. При полной разгрузке элемента 11, когда его ток упадет до нуля, закончится переходный процесс включения импульсного трансформатора 12. При этом напряжение на первичной обмотке трансформатора уменьшится до величины, немного меньшей, чем пробивное напряжение элемента 11, что обеспечивается правильно выбранным коэффициентом трансформации трансформатора. С момента завершения переходного процесса включения трансформатора он воспримет на себя весь нагрузочный ток и преобразует его в ток рекуперации, а нелинейно-резистивный элемент 11 останется обесточенным.

Благодаря применению импульсного трансформатора между цепью шунтирования активно-индуктивной нагрузки и источником питания осуществляется возврат (рекуперация) индуктивной энергии в источник питания, в результате чего улучшается энергетические показатели коммутирующего устройства, обладающего бездуговыми свойствами, а в качестве нелинейно-резистивных элементов могут использоваться стабилитроны или варисторы без охладителей.

Устройство содержит цепи главного и вспомогательного контактов, помещаемых между источником питания и активно-индуктивной нагрузкой и соединенных между собой параллельно. Главный контакт содержит неподвижные контакт-детали, выполненные в виде четного числа щеток, из которых выводы щеток нечетных номеров соединены в один узел, подсоединяемый к положительному выводу источника питания, а выводы щеток четных номеров соединены в другой узел, подсоединяемый к положительному выводу нагрузки. Неподвижные контакт-детали вспомогательных контактов выполнены в виде ряда разрезных щеток, элементы которых изолированы друг от друга и зашунтированы нелинейно-резистивными элементами, которые соединены в последовательную цепь, шунтирующую цепь главного контакта. Техническим результатом является обеспечение бездуговой коммутации и повышение энергетических показателей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Коммутирующее устройство. содержащее источник питания, активно-индуктивную нагрузку, главный контакт и шунтирующую его цепь, составленную из последовательно соединенных вспомогательных контактов, отличающееся тем, что главный контакт и вспомогательные контакты выполнены в виде контактных систем, содержащих группы подвижных и неподвижных контакт-деталей, совершающих при каждой коммутации относительно друг друга фиксированное скользящее шаговое перемещение, при этом подвижные контакт-детали главного и вспомогательных контактов объединены в один конструктивный узел и отделены друг от друга изолирующими промежутками, группа подвижных контакт-деталей вспомогательных контактов выполнена в виде ряда проводящих пластин, а промежутки между ними заполнены изолирующим материалом таким образом, что они вместе образуют гладкую монолитную рабочую поверхность, предназначенную для скольжения по ней неподвижных контакт-деталей вспомогательных контактов, выполненных в виде ряда разрезных щеток, элементы которых изолированы друг от друга и зашунтированы нелинейно-резистивным элементом, нелинейно-резистивные элементы всех разрезных щеток соединены в последовательную цепь, один вывод которой подключен к положительному выводу источника питания, а другой вывод - к положительному выводу цепи нагрузки, разрезные щетки и замыкающие их пластины смещены на одинаковые расстояния, равные двойному шаговому перемещению, подвижная контакт-деталь главного контакта выполнена из проводящего материала и имеет зубцовую конфигурацию, причем промежутки между зубцами заполнены изолирующим материалом таким образом, что они вместе образуют гладкую монолитную рабочую поверхность, предназначенную для скольжения по ней неподвижных контакт-деталей главного контакта, выполненных в виде четного числа щеток, смещенных, как и зубцы, на расстояния, равные двойному шаговому перемещению, выводы щеток нечетных номеров соединены в один узел, а выводы щеток четных номеров - в другой узел, причем один из узлов подсоединен к положительному выводу источника питания, а другой - к положительному выводу цепи нагрузки, нагрузка зашунтирована цепью из последовательно соединенных первого обратного диода и нелинейно-резистивного элемента. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к выводам нелинейно-резистивного элемента шунтирующей нагрузку цепи подключена первичная обмотка импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого через второй обратный диод подключена к выводам источника питания.