УСТРОЙСТВО ФОРСИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПРИВОДА КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА Российский патент 2002 года по МПК H01F7/18 H01H47/32 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к форсированным электромагнитным приводам, включающим выключатели или контакторы большим пусковым током и удерживающим их во включенном положении небольшим током удержания. Приводы с форсировкой имеют существенно меньшие габариты и массы, чем приводы без форсировки при одних и тех же статических тяговых характеристиках. Особенно эффективно применение таких приводов для коммутационных аппаратов с вакуумными дугогасительными камерами из-за требуемых больших усилий поджатия их контактов.

Предлагаемое изобретение позволяет открывать таймером через двухпозиционный переключатель управляемый электронный ключ, например транзистор, подавая тем самым напряжение питания к катушке электромагнита, на время включения привода, задаваемое или уставкой времени таймера, или концевым элементом привода, после чего двухпозиционный механический или электронный переключатель подсоединяет электрод управления указанного ключа к генератору прямоугольных импульсов, тем самым подключая катушку электромагнита периодически к источнику питания, причем частота и минимальный коэффициент заполнения импульсов определяются постоянной времени электромагнита и током удержания.

Устройство содержит катушку электромагнита, управляемый электронный ключ, например в виде транзистора, таймер с уставкой по концевому положению привода и/или по времени, генератор прямоугольных импульсов с широтно-импульсной модуляцией, двухпозиционный переключатель - электронный и/или механический - с кинематической связью с приводом, шунтирующий катушку диод. Достигаемым техническим результатом является уменьшение потребляемой приводом от источника питания энергии, пропорциональной коэффициенту заполнения сигналов управления.

Известен способ управления электромагнитным приводом (Б.Э. Коц. Электромагниты постоянного тока с форсировкой. М.: Энергия, 1973, с. 9, рис. 2, схема 3), по которому при подаче постоянного напряжения питания на последовательно соединенные катушку электромагнита и добавочное сопротивление включается, через таймер в виде RC-цепочки в цепи базы, управляемый электронный ключ в виде биполярного транзистора, шунтирующего это сопротивление. При этом к катушке прикладывается все напряжение питания на время включения привода, определяемое постоянной времени этой RC-цепочки. После заряда конденсатора и закрытия транзистора напряжение питания делится между активным сопротивлением катушки и добавочным сопротивлением, причем основная часть напряжения прикладывается к добавочному сопротивлению, так как ток удержания привода во включенном положении, определяемый суммой указанных сопротивлений, намного меньше пускового тока, что объясняется минимальным зазором в магнитной цепи электромагнита во включенном положении.

Кроме указанного главного недостатка - непроизводительного расходования электроэнергии, аналог имеет и тот недостаток, что управляющий сигнал не будет прямоугольным из-за экспоненциального спада тока базы после включения привода, следовательно, необходимо применять более мощный транзистор.

Третий недостаток - отсутствие концевого элемента по ходу привода, снимающего пусковой сигнал управления. Отсюда необходимость большого запаса временного интервала из-за нестабильности механической работы привода и, следовательно, излишний расход энергии при включении.

Отключение привода происходит при снятии напряжения питания.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым являются последовательность операций управления устройства электромагнитного привода коммутационного аппарата (патент РФ 2074430, H 01 F 7/08, Н 01 Н 47/32, 1997), Здесь так же, как в аналоге, при включении привода подают сигнал в цепь управляющего электрода транзистора - цепь базы. Снимается сигнал при срабатывании концевого замыкающего контакта или по уставке времени RC-цепочки при открывании порогово-ключевого элемента, например динистора, шунтирующего цепь базы транзистора. Указанные элементы можно рассматривать как таймер. При отключении транзистора накопленная в катушке индуктивная энергия поглощается активным сопротивлением катушки через шунтирующий ее диод. Эта схема имеет преимущества перед аналогом - дает прямоугольный импульс управления и уменьшает потребление энергии при включении за счет меньшего времени подачи управляющего сигнала, снимаемого концевым контактом. При использовании в схеме, вместо нелинейного, обычного резистора, рассчитанного на ток удержания, она аналогична ранее рассмотренной схеме с точки зрения последовательности операций управления.

Предлагаемое решение позволяет устранить главный недостаток аналога и прототипа - непроизводительный расход энергии источника питания в длительном режиме включенного состояния коммутационного аппарата. Для этого в способе управления форсированным электромагнитным приводом, основанном на подаче сигнала управления на управляемый электронный ключ, в течение времени включения привода, после снятия этого сигнала на указанный ключ подается, на все время включенного состояния коммутационного аппарата, периодический импульсный сигнал управления с периодом следования и минимальным коэффициентом заполнения, определяемыми постоянной времени электромагнита и током удержания.

В устройство, содержащее последовательно соединенные управляемый электронный ключ в виде, например, транзистора и катушку электромагнита с шунтирующим ее диодом, подсоединенные к источнику постоянного напряжения, к положительному полюсу которого подсоединен таймер, дополнительно введен двухпозиционный переключатель, первый вход которого подключен к выходу таймера, второй вход подключен к генератору периодических прямоугольных импульсов, подключенному к указанному источнику напряжения, а выход переключателя подсоединен к управляющему электроду указанного ключа.

Сущность предлагаемого способа поясняется временными диаграммами на фиг. 1, где:
на фиг.1а представлена диаграмма управляющего импульса таймера;
на фиг.1б - диаграмма управляющих импульсов генератора;
на фиг. 1в - диаграмма токов в катушке привода.

Фиг. 1а и 1б соответствуют временам приложения напряжения питания к катушке.

На фиг. 1 обозначено:
U_п - прикладываемое к катушке напряжение питания;
i - ток в катушке;
i_m - установившийся ток в катушке, ограничиваемый ее активным сопротивлением;
i_y - постоянный ток удержания;
Δi - колебания тока в катушке в длительном режиме удержания привода;
Т - период следования;
t_и - длительность управляющих импульсов генератора;
t_o - начало, t₁ - конец управляющего импульса таймера;
t_оя - момент остановки якоря электромагнита.

На фиг.2 представлено устройство, в котором может быть реализован предлагаемый способ, где обозначено:
1 - катушка электромагнита в виде активно-индуктивной нагрузки;
2 - управляемый электронный ключ в виде, например, транзистора;
3 - таймер;
4 - генератор прямоугольных импульсов;
5 - диод;
6 - переключатель механический или электронный;
7, 8 - входы переключателя;
9 - выход переключателя;
10 - пусковой контакт таймера.

В устройстве катушка 1 соединена последовательно с коллектором транзистора 2. Свободный вывод катушки подсоединен к положительному полюсу источника питания, а эмиттер транзистора - к отрицательному полюсу. Диод 5 шунтирует катушку. Выход таймера 3, питающегося от этого же источника, подсоединен к первому входу 7 переключателя 6, второй вход 8 которого присоединен к выходу генератора прямоугольных импульсов 4, подключенному к тому же источнику питания; выход 9 переключателя подключен к базе - управляющему электроду транзистора. На входе таймер имеет включающий контакт 10.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии - при отключенном приводе контакт 10 разомкнут и напряжение на базу транзистора 2 не подается, хотя переключатель 6 замкнут на таймер 3. Транзистор закрыт, и все напряжение питания прикладывается к нему.

При подаче команды на включение привода - замыкании контакта 10 - таймер начинает выдавать напряжение на базу транзистора, который открывается и находится в режиме насыщения во все время работы таймера. При этом к катушке 1 прикладывается почти все напряжение питания (за вычетом небольшого падения напряжения на транзисторе). Этому моменту соответствует время t_o на временных диаграммах фиг.1. Через катушку начинает протекать пусковой ток (фиг. 1в), якорь электромагнита начинает двигаться - начинается включение привода. В момент времени t_оя якорь электромагнита останавливается. Перед этим начинает переключаться переключатель 6. Если он выполнен механическим, то время его переключения может занять несколько миллисекунд и вызвать рост тока в катушке до момента t₁, которому соответствует отключение базы транзистора от таймера. После этого ток в катушке начинает спадать с большой постоянной времени, так как индуктивность включенного электромагнита максимальна и может составлять от долей до единиц генри. Время спада тока до тока удержания может составлять десятки миллисекунд. После переключения переключателя на генератор 4 периодических прямоугольных импульсов последние начинают подавать питание на базу транзистора, открывая его на время t_и, составляющее небольшую долю времени периода Т импульсов. Этим импульсам соответствует частота приложения напряжения питания к катушке. Поэтому на спадающий ток будет накладываться периодическая составляющая, величина которой значительно меньше амплитуды пускового тока. Через некоторое время процесс изменения тока в катушке становится установившимся периодическим. Колебания тока Δi определяются частотой сигналов генератора импульсов и постоянной времени электромагнита: с ростом частоты и постоянной времени колебания тока уменьшаются; увеличение частоты ограничивается потерями при переключении транзистора и в магнитопроводе, а увеличение постоянной времени связано с увеличением расхода активных материалов электромагнита, его габаритов и времени включения.

Минимальная величина тока в катушке должна быть выше постоянного тока удержания (пунктир на фиг.1в). В форсированных электромагнитах ток удержания на один-два порядка меньше установившегося тока i_m, определяемого активным сопротивлением катушки. Это объясняется тем, что включенный электромагнит развивает наибольшую силу при минимальном воздушном зазоре в магнитной цепи по сравнению с отключенным положением с максимальным зазором при фиксированной намагничивающей силе. До максимальной величины ток может возрасти, если вместо механического переключателя применить электронный, переключающийся от временной уставки таймера, выбираемой с запасом на временную нестабильность включения привода. На фиг.1а этому соответствует увеличение интервала t₁-t_оя.

Из диаграмм видно, что средний ток в режиме удержания пропорционален среднему напряжению на катушке (пунктир на фиг.1а), которое пропорционально коэффициенту заполнения импульсов Q=t_и/Т. На фиг.1а штрихпунктиром показано напряжение, приложенное к катушке и балластному сопротивлению согласно схемам аналога и прототипа. При этом пунктир соответствует постоянному напряжению на катушке. Отсюда следует, что энергия, непроизводительно расходуемая на нагрев балластного сопротивления в режиме удержания привода, пропорциональна разности напряжений питания (штрихпунктир) и удержания (пунктир). То есть экономия потребляемой энергии в режиме удержания привода по предлагаемому способу и устройству по сравнению с аналогом и прототипом обратно пропорциональна коэффициенту заполнения управляющих импульсов.

В аналоге и прототипе выбор балластного сопротивления должен производиться с учетом колебания питающего напряжения, которое согласно стандартам может опускаться до 0,6U_п. Соответственно увеличиваются устанавливаемый ток удержания и потери электроэнергии. В предлагаемом изобретении достаточно выполнить генератор прямоугольных импульсов с широтно-импульсной модуляцией, поддерживающей в режиме удержания среднее напряжение на катушке неизменным независимо от напряжения питания привода. С уменьшением питающего напряжения увеличивается коэффициент заполнения импульсов и несколько возрастает Δi. Но колебания тока в катушке составляют несколько процентов от тока удержания при правильном выборе частоты импульсов генератора с учетом постоянной времени электромагнита привода. Следовательно, увеличение потребляемой энергии будет незначительно. Отсюда следует, что при использовании широтно-импульсной модуляции генерируемых сигналов управления получается максимальная экономия потребляемой приводом энергии в длительном режиме удержания.

В качестве таймера может быть использована схема прототипа. В простейшем случае таймером может служить последовательная цепь из замыкающего контакта и токоограничивающего резистора в цепи базы транзистора при использовании механического концевого переключателя, кинематически связанного с электромагнитным приводом.

Вместо биполярного транзистора может быть использован полевой. Тогда базе будет соответствовать затвор, а коллектору и эмиттеру - сток и исток.

Таким образом, из описания ясно, что, с технической точки зрения, принципиальное отличие предлагаемого изобретения от аналога и прототипа в режиме удержания заключается в использовании реактивного - индуктивного токоограничения вместо резистивного, вызывающего необратимые потери энергии.

Примером может служить вакуумный контактор на номинальный ток 1500 А и номинальное напряжение 10 кВ с параметрами электромагнита:
U_п=110 В; R_{катушки}=16 Ом; i_y=0,1 А.

При использовании прототипа с учетом колебания напряжения питания и воздействия на привод внешних механических факторов ток удержания выбирался 0,34 А, балластное сопротивление r_б=310 Ом, выделяемая энергия на балластное сопротивление около 36 Вт, на катушке - меньше 2 Вт.

С использованием предлагаемого изобретения:
Т= 1,11•10^-3; Q=0,02; минимальное среднее напряжение на катушке в режиме удержания U_к=2,24 В, с запасом принято U_к=4 В, i_у=0,25 А, выделяемая на катушке мощность - около 1 Вт. При U_пmin=0,6U_пном; t_и=37•10^-6 с.

Для быстродействующих выключателей экономия потребляемой приводом энергии будет в несколько раз больше.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к форсированным электромагнитным приводам, и может быть использовано для коммутационных аппаратов с вакуумными дугогасительными камерами из-за требуемых больших усилий поджатия их контактов. Технический результат заключается в уменьшении потребления электроэнергии. Устройство форсированного электромагнитного привода для коммутационного аппарата содержит катушку электромагнита, управляемый электронный ключ, таймер с уставкой по концевому положению привода и/или по времени, генератор периодических прямоугольных импульсов, двухпозиционный переключатель, шунтирующий катушку электромагнита диод. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство форсированного электромагнитного привода коммутационного аппарата, содержащее последовательно соединенные управляемый электронный ключ и катушку электромагнита с шунтирующим ее диодом, другие выводы которых подсоединены к разным полюсам источника постоянного напряжения, таймер, подсоединенный к положительному полюсу указанного источника напряжения, отличающееся тем, что дополнительно введен двухпозиционный переключатель, первый вход которого подключен к выходу таймера, второй вход подключен к выходу генератора периодических прямоугольных импульсов, подключенного к указанному источнику напряжения, а выход переключателя подсоединен к управляющему электроду указанного ключа. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что генератор периодических прямоугольных импульсов выполнен с широтно-импульсной модуляцией.