РАСЦЕПИТЕЛЬ МАКСИМАЛЬНОГО ТОКА Российский патент 2001 года по МПК H01H75/12 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, в автоматических выключателях.

Известен расцепитель максимального тока, содержащий электромагнит, обмотка которого питается током защищаемой цепи, ферромагнитный резервуар с термочувствительным элементом из материала, обладающего фазовым переходом из антиферромагнитного состояния в состояние с отличным от нуля макроскопическим магнитным моментом, и подпружиненный якорь, соединенный с ферромагнитным резервуаром и взаимодействующий с электромагнитом при токах короткого замыкания (авторское свидетельство СССР N 1501192, H 01 H 73/48, 75/12, 1989 г.).

Наличие в известной конструкции трех силовых элементов (пружины, силы, выталкивающей якорь из катушки, и силы, втягивающей якорь в катушку и зависящей от величины намагниченности якоря за счет эффекта "Морина"), взаимодействующих в разных направлениях, затрудняет практическое применение расцепителя максимального тока из-за невозможности обеспечить достаточную точность и стабильность работы.

Известен также расцепитель максимального тока, содержащий электромагнит, обмотка которого питается током защищаемой цепи, герметизированный ферромагнитный резервуар, заполненный термочувствительным веществом, способным при нагревании переходить в газообразное состояние, механизм свободного расцепления, якорь и сильфон (авторское свидетельство СССР N 1234892, H 01 H 73/48, 75/12, 1986 г.). Принимаем его за прототип.

Известное устройство имеет ряд недостатков.

Отсутствие в известной конструкции магнитопровода приводит к нелинейному характеру зависимости тока, наводимого в стенках ферромагнитного резервуара, от тока, проходящего по катушке, ввиду большого потока рассеяния, что отрицательно скажется на точности работы расцепителя.

Применение легкоплавкого вещества, переходящего при нагревании в газообразное состояние, также создает неопределенное состояние и затрудняет регулировку срабатывания расцепителя.

Использование сильфона в известной конструкции не обеспечивает достаточной точности работы и надежности по износостойкости.

Ограничена возможность точной регулировки вследствие того, что рабочее усилие на сильфоне непостоянно по длине хода.

В известном устройстве регулировка срабатывания расцепителя при токах короткого замыкания и токах перегрузки осуществляется одним регулировочным элементом, что снижает точность срабатывания.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции расцепителя максимального тока, обладающего высокой точностью работы, надежностью срабатывания и достаточным усилием.

Заявляемый расцепитель максимального тока содержит электромагнит, обмотка которого питается током защищаемой цепи, герметизированный ферромагнитный резервуар, заполненный термочувствительным веществом, и механизм свободного расцепления. Новым в конструкции расцепителя является то, что электромагнит выполнен в виде магнитопровода и катушки с обмоткой, в которой расположен герметизированный ферромагнитный резервуар, выполняющий функцию якоря. Ферромагнитный резервуар заполнен термочувствительной жидкостью с постоянным коэффициентом объемного расширения в широком диапазоне температур. Внутри ферромагнитного резервуара размещен подпружиненный подвижный шток, имеющий ограничитель возвратного перемещения штока, конец которого выступает за пределы резервуара с возможностью воздействия на механизм свободного расцепления. При этом ферромагнитный резервуар также имеет ограничитель возвратного перемещения и снабжен регулировочным элементом для регулирования срабатывания расцепителя при токах короткого замыкания.

Регулировочный элемент ферромагнитного резервуара выполнен в виде шпильки, установленной в резьбовом отверстии торца ферромагнитного резервуара, которая проходит через отверстие в ограничителе перемещения ферромагнитного резервуара и снабжена пружиной с регулировочной гайкой.

Ограничитель возвратного перемещения штока выполнен в виде стопорного кольца.

Наличие в конструкции указанных элементов и их взаимное расположение позволяют устройству работать как в качестве электромагнита, так и в качестве трансформатора.

При токах короткого замыкания преобладает эффект электромагнита. В этом случае переменное магнитное поле, создаваемое проходящим по обмотке катушки током, достаточно для преодоления ферромагнитным резервуаром усилия пружины, притягивающей его к ограничителю перемещения. При этом происходит практически мгновенное срабатывание расцепителя максимального тока. Термочувствительная жидкость не успевает нагреться.

При токах перегрузки в системе преобладает эффект трансформатора, в котором роль первичной обмотки выполняет катушка, а вторичной, в виде короткозамкнутого витка, - стенки ферромагнитного резервуара.

Ток, проходящий по катушке, создает магнитное поле, недостаточное для преодоления сопротивления пружины, и ферромагнитный резервуар остается неподвижным. Ток катушки, трансформируясь в стенках ферромагнитного резервуара, нагревает его до температуры, пропорциональной величине тока катушки. Наличие магнитопровода в системе значительно уменьшает магнитные потоки рассеяния, что обеспечивает практически линейную зависимость тока в стенках ферромагнитного резервуара от тока в катушке, а следовательно, и такую же зависимость температуры нагрева резервуара от тока катушки. Так как резервуар заполнен термочувствительной жидкостью, например полиметилсилоксановой, имеющей постоянный коэффициент объемного расширения в диапазоне температур от -40^oC до +140^oC (ГОСТ 13032-77 Жидкости полиметилсилоксановые. Технические условия), то за счет объемного расширения жидкости при ее нагреве получается линейная зависимость перемещения штока от тока катушки. Гидравлическая система, основанная на объемном расширении жидкости под действием температуры, позволяет развить на штоке любое необходимое усилие, обеспечивающее независимость точности работы от усилия противодействия механизма свободного расцепления. Это обеспечит гарантированное срабатывание автоматического выключателя и высокую точность работы устройства в отличие от известных устройств, использующих термочувствительные вещества, претерпевающие фазовые превращения.

В предлагаемой конструкции в качестве подвижного силового элемента использован шток, диаметр которого значительно меньше диаметра ферромагнитного резервуара, в котором он установлен. Так как термочувствительная жидкость, заполняющая резервуар, имеет постоянный коэффициент объемного расширения не происходит изменения линейного характера зависимости хода штока от температуры, т.е. от величины тока катушки.

А следовательно, возможно увеличение точности срабатывания устройства пропорционально зависимости отношения диаметров резервуара и штока.

Поскольку приращение объема жидкости вследствие теплового расширения
ΔV = V α (T₂ - T₁),
где ΔV - приращение объема жидкости;
V - полный объем жидкости в резервуаре = const;
α - объемный коэффициент расширения жидкости = const;
T₂-T₁ - приращение температуры.

Следовательно, ΔV = const•const(T₂-T₁), т.е. V является линейной функцией приращения температуры (T₂-T₁).

Рассмотрим зависимость хода штока от отношений диаметров штока и резервуара.

1. Предположим диаметр штока равен диаметру резервуара. При этом

где X_ш1 - ход штока;
S_ш1 - поперечное сечение штока, равное поперечному сечению резервуара;
D_ш1 - диаметр штока;
D_р1 - диаметр резервуара.

2. При диаметре штока, меньшем диаметра резервуара, ход штока будет равен

где X_ш2 - ход штока;
D_ш2 - диаметр штока;
S_ш2 - поперечное сечение штока.

Откуда

т. е. увеличение хода штока при уменьшении его диаметра по отношению к диаметру резервуара при том же приращении температуры находится в квадратичной зависимости от этого отношения. Следовательно, чувствительность и точность работы расцепителя увеличивается в квадратичной зависимости от уменьшения диаметра штока. При этом силовые характеристики расцепителя остаются в необходимых и достаточных пределах надежной работы механизма.

Предлагаемое устройство позволяет производить раздельную регулировку срабатывания расцепителя при токах перегрузки и короткого замыкания, что также обеспечит точность и надежность срабатывания. Причем при токах перегрузки можно регулировать как величину тока срабатывания, так и время срабатывания, что позволит исключить операцию калибровки.

На чертеже изображен предлагаемый расцепитель максимального тока.

Расцепитель максимального тока содержит электромагнит в виде магнитопровода 1 и катушки с обмоткой 2, внутри которой размещен резервуар 3. Резервуар выполнен из ферромагнитного материала и заполнен полиметилсилоксановой жидкостью 4. Один конец резервуара закрыт пробкой 5 с уплотнением 6. В пробке 5 установлен шток 7 с возвратной пружиной 8. Шток 7 имеет уплотнение 9 и снабжен ограничителем возвратного перемещения штока в виде стопорного кольца 10. Регулировочный винт 11 предназначен для регулирования срабатывания расцепителя при токах перегрузки и установлен в механизме свободного расцепления 12 (показан условно).

В противоположном торце резервуара выполнено резьбовое отверстие 13, в которое ввинчена шпилька 14, проходящая через отверстие в ограничителе возвратного перемещения 15 ферромагнитного резервуара 3. Шпилька снабжена пружиной 16 и регулировочной гайкой 17.

Регулировка срабатывания расцепителя при токах перегрузки происходит следующим образом.

При протекании по обмотке 2 катушки электромагнита номинального тока термочувствительная жидкость нагревается до определенной температуры, определяемой установившимся процессом теплопередачи с окружающей средой. При этом за счет расширения жидкости происходит выдвижение штока 7 на величину, определяемую температурой жидкости при номинальном токе. При прохождении через обмотку 2 катушки тока перегрузки температура термочувствительной жидкости повышается и на соответствующую величину дополнительно перемещается шток 7. По истечении времени, необходимого для срабатывания расцепителя от тока перегрузки, перемещением регулировочного винта 11 в направлении штока 7 добиваются срабатывания механизма свободного расцепления 12. Регулировочный винт 11 в данном положении закрепляют. В дальнейшем срабатывание расцепителя при определенном токе перегрузки будет осуществляться в данной точке в заданное время.

Регулировку срабатывания при токах короткого замыкания осуществляют изменением усилия пружины 16 с помощью регулировочной гайки 17.

Расцепитель максимального тока работает следующим образом.

При протекании через обмотку 2 катушки тока перегрузки шток 7 перемещается на соответствующую величину и воздействует на механизм свободного расцепления 12. При срабатывании механизма свободного расцепления 12 обмотка 2 катушки обесточивается. Жидкость остывает, сжимается и под воздействием возвратной пружины 8 шток 7 возвращается в исходное положение, определяемое стопорным кольцом 10. Ферромагнитный резервуар 3 при этом остается неподвижным, упираясь своим торцом в ограничитель перемещения 15.

При токах короткого замыкания за счет магнитного поля катушки ферромагнитный резервуар 3 преодолевает усилие пружины 16 и перемещается внутри катушки до воздействия штока 7 на механизм свободного расцепления. При этом шпилька 14 и шток 7 играют роль направляющих, обеспечивая точность перемещения ферромагнитного резервуара 3. После срабатывания механизма свободного расцепления 12 ферромагнитный резервуар 3 возвращается в исходное положение до ограничителя перемещения 15.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, в автоматических выключателях. Расцепитель максимального тока содержит электромагнит, состоящий из магнитопровода, катушки с обмоткой, питаемой током защищаемой цепи, и герметизированного ферромагнитного резервуара, размещенного внутри катушки и выполняющего функцию якоря. Ферромагнитный резервуар заполнен термочувствительной жидкостью с постоянным коэффициентом объемного расширения в широком диапазоне температур, а внутри него размещен подпружиненный шток, конец которого выступает за пределы резервуара и имеет ограничитель возвратного перемещения в виде стопорного кольца. Ферромагнитный резервуар также снабжен ограничителем возвратного перемещения и регулировочным элементом для регулирования срабатывания расцепителя при токах короткого замыкания. Механизм свободного расцепления имеет регулировочный элемент для регулирования срабатывания расцепителя при токах перегрузки. Регулировочный элемент для регулирования срабатывания расцепителя при токах короткого замыкания выполнен в виде шпильки, установленной в резьбовом отверстии торца ферромагнитного резервуара и проходящей через отверстие в ограничителе возвратного перемещения. Шпилька снабжена пружиной с регулировочной гайкой. Предлагаемая конструкция расцепителя максимального тока обладает высокой точностью работы, надежностью срабатывания и достаточным усилием. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Расцепитель максимального тока, содержащий электромагнит, обмотка которого питается током защищаемой цепи, герметизированный ферромагнитный резервуар, заполненный термочувствительным веществом, и механизм свободного расцепления, отличающийся тем, что электромагнит выполнен в виде магнитопровода, катушки с обмоткой, в катушке расположен герметизированный ферромагнитный резервуар, выполняющий функцию якоря, и заполненный в качестве термочувствительного вещества термочувствительной жидкостью с постоянным коэффициентом объемного расширения в широком диапазоне температур, а внутри герметизированного ферромагнитного резервуара размещен подпружиненный шток с ограничителем возвратного перемещения штока, конец которого выступает за пределы герметизированного ферромагнитного резервуара с возможностью воздействия на механизм свободного расцепления, имеющий регулировочный элемент для регулирования срабатывания расцепителя при токах перегрузки, при этом герметизированный ферромагнитный резервуар имеет ограничитель возвратного перемещения герметизированного ферромагнитного резервуара и снабжен регулировочным элементом для регулирования срабатывания расцепителя при токах короткого замыкания. 2. Расцепитель максимального тока по п.1, отличающийся тем, что регулировочный элемент для регулирования срабатывания расцепителя при токах короткого замыкания, выполнен в виде шпильки, установленной в резьбовом отверстии торца герметизированного ферромагнитного резервуара, проходящей через отверстие в ограничителе возвратного перемещения герметизированного ферромагнитного резервуара и снабженной пружиной с регулировочной гайкой. 3. Расцепитель максимального тока по п.1, отличающийся тем, что ограничитель возвратного перемещения штока выполнен в виде стопорного кольца, размещенного на конце штока, выходящего из герметизированного ферромагнитного резервуара.