БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПРИВОД КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА Российский патент 2005 года по МПК H01H3/00 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к быстродействующим электромагнитным приводам коммутационных аппаратов. Известно, что одним из главных назначений коммутационных аппаратов является быстрое отключение короткозамкнутой нагрузки, что для быстродействующих электромеханических аппаратов постоянного тока может быть достигнуто только при использовании быстродействующих электроприводов. Известно также, что к числу быстродействующих электроприводов относятся электродинамические - ЭДП и индукционно-динамические - ИДП приводы, при этом в первом случае электродинамическая сила возникает в результате отталкивания двух встречно включенных, расположенных рядом магнитно-связанных катушек, обтекаемых одним током, а во втором случае электродинамическая сила возникает в результате протекания импульса тока через катушку, расположенную рядом с металлическим диском, и взаимодействия упомянутого тока с током, наводимым в упомянутом металлическом диске (Карпенко Л.Н. Быстродействующие электродинамические отключающие устройства. Л.: Энергия, 1973 г.).

Поскольку сила отталкивания между катушками в случае ЭДП пропорциональна квадрату значения тока, протекающего через катушки, а в случае ИДП пропорциональна произведению значений протекающего через катушку и наводимого в диске токов, для получения больших ускорений и больших скоростей подвижной части, то есть катушки в случае ЭДП или диска в случае ИДП, необходимо пропускать через катушки или катушку большие токи, а для улучшения массогабаритных показателей рассматриваемых приводов большие токи через катушки пропускают кратковременно в виде коротких импульсов. Поэтому в качестве источника питания в упомянутых приводах используют обычно предварительно заряженный конденсатор, который может заряжаться, например, от источника постоянного напряжения через резистор и разряжаться на катушки с помощью тиристора (Проектирование электрических аппаратов. Учебник для ВУЗов. Г.Н.Александров, В.В.Борисов, Г.С.Каплан и др. Под ред. Г.Н.Александрова. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отд-ние, 1985, рис.6.18, стр.270) или заряжаться от источника переменного напряжения и разряжаться на катушки с помощью трехэлектродного разрядника (Чунихин А.А. Электрические аппараты. Общий курс. Учебник для ВУЗов, 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988, рис.18.30, стр.599).

Последний из рассмотренных аналогов является наиболее близким к предлагаемому изобретению, поэтому он выбран в качестве прототипа, так как в нем имеется катушка привода, конденсатор, цепь его заряда, разрядник, то есть коммутатор и устройство синхронизации для определения момента времени начала разряда конденсатора на катушку. То, что в прототипе использован ИДП, а не ЭДП принципиального значения для схемы привода не имеет, так как по скорости и времени отключения они примерно равноценны, а описанную в прототипе схему можно применять как для ИДП, так и для ЭДП приводов. Все рассмотренные аналоги электродинамических или индукционно-динамических приводов, в том числе и прототип, обладают тем преимуществом, что могут иметь при правильно выбранных параметрах очень малое время срабатывания - от нескольких миллисекунд до долей миллисекунды. В то же время все аналоги и прототип имеют общий недостаток, заключающийся в том, что момент срабатывания привода отключения зависит от достижения током нагрузки тока уставки, то есть сигнал для срабатывания привода появляется не ранее, чем ток нагрузки достигнет значения тока уставки, что несмотря на высокое быстродействие самого электродинамического или индукционно-динамического привода увеличивает время отключения короткозамкнутой нагрузки.

Предлагаемое изобретение позволяет устранить отмеченный недостаток прототипа.

Технический результат изобретения заключается в том, чтобы уменьшить время обнаружения наиболее тяжелого режима - короткого замыкания нагрузки и тем самым сократить общее время отключения короткого замыкания нагрузки в силовой цепи, начиная с момента его возникновения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Предлагаемый быстродействующий привод коммутационного аппарата содержит привод включения ПРВ, кинематически связанный с главными контактами ГК аппарата силовой цепи, первый конденсатор, зарядное устройство ЗУ с выходными выводами, привод отключения ПРО с катушкой (электродинамического или индукционно-динамического типа, при этом в первом случае привод содержит две встречновключенных магнитно-связанных полуобмотки катушки, во втором случае привод содержит одну катушку и металлический диск), также кинематически связанный с главными контактами ГК аппарата, первый управляемый ключ УК1 и датчик ДТ тока нагрузки силовой цепи с выходными выводами и первым диодом, что обеспечивает подключение заряженного первого конденсатора через первый управляемый ключ к приводу отключения ПРО с катушкой и его срабатывание при появлении сигнала от датчика ДТ тока нагрузки силовой цепи в случае возникновения тока перегрузки или тока короткого замыкания в силовой цепи.

Новым является то, что в быстродействующий привод дополнительно введены второй диод, первый и второй резисторы, второй и третий конденсаторы, импульсный задающий генератор ЗГ, датчик ДН напряжения на нагрузке силовой цепи, первый У1, второй У2 и третий У3 усилители-выпрямители сигнала, что позволяет подключать заряженный первый конденсатор через первый управляемый ключ к приводу отключения ПРО с катушкой и осуществлять его срабатывание при исчезновении напряжения на нагрузке силовой цепи, то есть при возникновении короткого замыкания в силовой цепи.

Поскольку при обычно встречающемся активно-индуктивном характере силовой цепи исчезновение напряжения на нагрузке силовой цепи при ее коротком замыкании происходит раньше, чем ток короткого замыкания, возрастающий по экспоненциальному закону, достигнет тока уставки, в предлагаемом изобретении срабатывание привода отключения ПРО с катушкой происходит раньше, чем в известных аналогах, то есть достигается поставленная цель.

Срабатывание привода отключения ПРО с катушкой в режимах перегрузки так же, как и в аналогах, происходит при разряде первого конденсатора на привод отключения ПРО с катушкой через первый управляемый ключ при поступлении сигнала от датчика ДТ тока нагрузки силовой цепи при возникновении режима перегрузки, то есть без ускоренного отключения, но оно в этом режиме и не требуется.

В состав предлагаемого быстродействующего привода, изображенного на чертеже, входят: электромагнитный привод включения ПРВ с выводами 1, 2 для подвода напряжения питания собственных нужд, кинематически связанный с главными контактами ГК аппарата, пусковая кнопка П и остановочный ключ С для ПРВ, первый 3, второй 4 и третий 5 конденсаторы, зарядное устройство ЗУ с выходными выводами 6, привод отключения ПРО с катушкой, также кинематически связанный с главными контактами ГК аппарата, первый управляемый ключ 7, первый 8 и второй 9 диоды, первый 10 и второй 11 резисторы, датчик ДТ тока нагрузки силовой цепи с выходными выводами 12, импульсный задающий генератор ЗГ с выводами 13, 14 для подвода напряжения питания собственных нужд и с выходными выводами 15, датчик ДН напряжения на нагрузке силовой цепи с выходными выводами 16, 17, первый У1 усилитель-выпрямитель сигнала с выводами 18, 19 для подвода напряжения питания собственных нужд, с входными 20 и выходными 21 выводами, второй У2 усилитель-выпрямитель сигнала с выводами 22, 23 для подвода напряжения питания, с входными 24 и выходными 25 выводами и третий У3 усилитель-выпрямитель сигнала с выводами 26, 27 для подвода напряжения питания собственных нужд с входными 28 и выходными 29 выводами, второй управляемый ключ УК2, при этом первый вывод первого конденсатора 3 соединен с первым выходным выводом первого управляемого ключа 7, второй выходной вывод которого соединен с первым выводом привода отключения ПРО с катушкой, второй вывод которого соединен с вторым выводом первого конденсатора 3, при этом зарядное устройство ЗУ подсоединено выходными выводами 6 к первому конденсатору 3 таким образом, чтобы полярность напряжения на упомянутом первом конденсаторе 3 была прямой по отношению к первому управляемому ключу 7, причем входные выводы зарядного устройства ЗУ могут быть подсоединены к источнику питания постоянного или переменного тока, например так, как в аналогах или в прототипе, или к аккумуляторной батарее, при этом первый выходной вывод 12 датчика ДТ тока нагрузки силовой цепи соединен с анодом первого диода 8, катод которого соединен с первым управляющим выводом первого управляемого ключа 7, а второй выходной вывод 12 упомянутого датчика ДТ тока нагрузки силовой цепи соединен с вторым управляющим выводом упомянутого первого управляемого ключа 7 таким образом, чтобы при превышении током нагрузки силовой цепи тока уставки первый управляемый ключ 7 открывался, при этом первые выводы первого резистора 10 и второго конденсатора 4 подсоединены к второму управляющему выводу первого управляемого ключа 7, а их вторые выводы соединены с первым выводом третьего конденсатора 5, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора 11, второй вывод которого соединен с анодом второго диода 9, катод которого соединен с первым управляющим выводом первого управляемого ключа 7, при этом первые выводы 13 и 26 для подвода напряжения питания соответственно импульсного задающего генератора ЗГ и третьего У3 усилителя-выпрямителя сигнала подсоединены к первому - положительному полюсу +Е_п сети питания собственных нужд, а вторые выводы 14 и 27 для подвода напряжения питания соответственно импульсного задающего генератора ЗГ и третьего У3 усилителя-выпрямителя сигнала подсоединены к второму - отрицательному полюсу -Е_п сети питания собственных нужд, при этом выводы 22, 23 для подвода напряжения питания второго У2 усилителя-выпрямителя сигнала подсоединены к выходным выводам 16, 17 датчика ДН напряжения на нагрузке силовой цепи, при этом к первому - положительному полюсу +Е_п сети питания собственных нужд подсоединен первый вывод второго управляемого ключа УК2, второй вывод которого соединен с первым выводом 18 для подвода напряжения питания первого У1 усилителя-выпрямителя сигнала, второй вывод 19 для подвода напряжения питания которого соединен с вторым отрицательным полюсом -Е_п сети питания собственных нужд, при этом выходные выводы 15 импульсного задающего генератора ЗГ соединены с входными выводами 20 первого У1, 24 второго У2 и 28 третьего У3 усилителей-выпрямителей сигнала, а выходные выводы 21 первого У1 и 25 второго У2 усилителей-выпрямителей сигнала соединены с вторым конденсатором 4 таким образом, чтобы напряжение на упомянутом втором конденсаторе 4 было запирающим для первого управляемого ключа 7, а выходные выводы 29 третьего У3 усилителя-выпрямителя сигнала соединены с третьим конденсатором 5 таким образом, чтобы напряжение на третьем конденсаторе 5 было отпирающим для первого управляемого ключа 7, при этом уровень напряжения на третьем конденсаторе 5 выбирается в соответствии с параметрами управляющего сигнала первого управляемого ключа 7, а уровень напряжения на втором конденсаторе 4 должен превышать уровень напряжения на третьем конденсаторе 5 во всех возможных режимах за исключением режима короткого замыкания нагрузки силовой цепи, при этом емкость второго конденсатора 4 должна быть меньше емкости третьего конденсатора 5, а величина сопротивления первого резистора 10 должна выбираться в соответствии с заданным временем разряда второго конденсатора 4 при возникновении короткого замыкания нагрузки, величина сопротивления второго резистора 11 должна выбираться из условия демпфирования переходного процесса при взаимодействии второго 4 и третьего 5 конденсаторов. Быстродействующий привод, схема которого приведена на чертеже, работает следующим образом.

Включение аппарата производится приводом включения ПРВ при соответствующей подготовке этого включения.

При отключении аппарата имеют место три случая:

A) режим оперативного отключения;

Б) режим отключения при перегрузке;

B) режим отключения при коротком замыкании нагрузки силовой цепи.

Включение аппарата.

При подаче напряжения от сети Е_п питания собственных нужд происходит заряд первого конденсатора 3 от зарядного устройства ЗУ до заданного напряжения с полярностью, указанной на чертеже, и одновременно начинает работать импульсный задающий генератор ЗГ, так как к нему через выводы 13, 14 подается питающее напряжение от сети питания Е_п собственных нужд. Прямоугольные импульсы тока или напряжения с выходных выводов 15 ЗГ (в зависимости от вида используемых транзисторов в усилителях-выпрямителях сигнала У1, У2 и У3: если биполярные транзисторы - то импульсы тока, если полевые транзисторы или биполярные с изолированным затвором - то импульсы напряжения) поступают на входные выводы 20, 24 и 28 соответственно усилителей-выпрямителей сигнала У1, У2 и У3, при этом начинает формировать запирающий сигнал первый усилитель-выпрямитель сигнала У1, так как к нему через открытый второй управляемый ключ УК2 подводится напряжение Е_п от сети питания собственных нужд. Упомянутый сигнал с выходных выводов 21 первого усилителя-выпрямителя сигнала У1 поступает на второй конденсатор 4 и обеспечивает запирание первого управляемого ключа 7. Одновременно начинает формировать отпирающий сигнал третий усилитель-выпрямитель сигнала У3, так как к нему также подается напряжение Е_п от сети питания собственных нужд через выводы 26, 27 для подвода напряжения питания. Упомянутый сигнал с выходных выводов 29 третьего усилителя-выпрямителя сигнала У3 поступает на третий конденсатор 5 и обеспечивает отпирающее напряжение для первого управляемого ключа 7, однако последний закрыт, так как запирающее напряжение на втором конденсаторе 4 больше, чем отпирающее напряжение на третьем конденсаторе 5.

В рассмотренном исходном состоянии второй усилитель-выпрямитель сигнала У2 запирающий сигнал для первого управляемого ключа 7 не формирует, так как на этом упомянутом втором усилителе-выпрямителе сигнала У2 нет питающего напряжения, так как его нет и на не включенной нагрузке и, следовательно, на выходе датчика ДН напряжения на нагрузке силовой цепи. Для включения привода включения ПРВ необходимы сигналы о наличии напряжения на первом конденсаторе 3 и третьем конденсаторе 5, которые подаются на упомянутый привод включения ПРВ с помощью связей, показанных на чертеже пунктирными линиями. Включение привода включения ПРВ оператором как обычно производится нажатием пусковой кнопки П, при этом на привод включения ПРВ поступает напряжение Е_п от сети питания собственных нужд. До того момента пока привод включения ПРВ не включился, а следовательно, и главные контакты ГК не замкнулись и не появилось напряжение на нагрузке, электромагнитные процессы остаются такими же, как и до нажатия пусковой кнопки П. После включения привода включения ПРВ, то есть замыкания главных контактов ГК, и подачи напряжения на нагрузку силовой цепи быстродействующий привод работает следующим образом: появляется напряжение на нагрузке силовой цепи, если она исправна, появляется напряжение питания на втором усилителе-выпрямителе сигнала У2, которое подается на него с выходных выводов 16, 17 датчика ДН напряжения на нагрузке силовой цепи через выводы 22, 23 для подвода напряжения питания, выключается второй управляемый ключ УК2, то есть исчезает напряжение питания для первого усилителя-выпрямителя сигнала У1, которое поступало на него через выводы 18, 19 для подвода напряжения питания и упомянутый второй управляемый ключ УК2, при этом второй усилитель-выпрямитель сигнала У2 начинает формировать запирающее напряжение, которое через выходные выводы 25 подается на второй конденсатор 4 и тем самым поддерживает запирание первого управляемого ключа 7, а первый усилитель-выпрямитель сигнала У1 перестает формировать запирающее напряжение для упомянутого ключа 7. На этом процесс включения быстродействующего привода заканчивается.

Выключение аппарата.

А. Оперативное отключение быстродействующего привода.

Оперативное отключение быстродействующего привода производится оператором как обычно путем размыкания остановочного ключа С. При этом снимается напряжение питания с привода включения ПРВ, последний выключается. Размыкаются главные контакты ГК аппарата в силовой цепи, снимается напряжение с нагрузки силовой цепи и процесс оперативного отключения на этом заканчивается.

Б. Отключение аппарата при перегрузке.

Отключение аппарата при перегрузке происходит следующим образом. От датчика ДТ тока нагрузки силовой цепи поступает сигнал на входные выводы первого управляемого ключа 7, который открывается, и по контуру 3 - 7 - ПРО - 3 протекает ток разряда первого конденсатора 3, который вызывает электродинамическую силу в приводе отключения ПРО с катушкой, в результате чего размыкаются главные контакты ГК аппарата в силовой цепи и снимается напряжение с нагрузки силовой цепи. Главные контакты ГК могут быть разомкнуты непосредственно приводом отключения ПРО с катушкой, кроме того, привод отключения ПРО с катушкой может увеличить зазор между якорем и сердечником привода включения ПРВ, при котором удерживающий ток окажется недостаточным и привод включения ПРВ отключит аппарат.

В. Отключение аппарата при коротком замыкании нагрузки.

При коротком замыкании нагрузки силовой цепи, если оно произошло при включении привода включения ПРВ, выключении второго управляемого ключа УК2 и отсутствии напряжения на нагрузке силовой цепи и, следовательно, на датчике ДН напряжения на нагрузке силовой цепи, первый усилитель-выпрямитель сигнала У1 прекратит формирование запирающего сигнала для первого управляемого ключа 7, а второй усилитель-выпрямитель сигнала У2 из-за отсутствия на нем напряжения питания не начнет формирование запирающего сигнала для первого управляемого ключа 7, в результате чего упомянутый ключ 7 откроется отпирающим сигналом от третьего усилителя-выпрямителя сигнала УЗ, и по контуру 3 - 7 - ПРО - 3 будет протекать ток разряда первого конденсатора 3, который вызовет электродинамическую силу и срабатывание привода отключения ПРО с катушкой, следовательно, размыкание главных контактов ГК аппарата в силовой цепи и отключение короткозамкнутой нагрузки силовой цепи. Аналогично происходит отключение короткозамкнутой нагрузки силовой цепи, если короткое замыкание произошло после завершения процесса пуска, когда формирование запирающего сигнала для первого управляемого ключа 7, как показано выше, осуществляется только вторым усилителем-выпрямителем сигнала У2 при наличии напряжения на нагрузке силовой цепи и на выходе датчика ДН напряжения на нагрузке силовой цепи. Как только происходит короткое замыкание нагрузки силовой цепи, исчезает напряжение на ней, на датчике ДН напряжения на нагрузке силовой цепи и на выводах 22, 23 для подвода напряжения питания второго усилителя-выпрямителя сигнала У2, последний прекращает формирование запирающего сигнала для первого управляемого ключа 7, который открывается, и по контуру 3 - 7 - ПРО - 3 начинает протекать ток разряда первого конденсатора 3, который, как показано выше, приводит к размыканию главных контактов ГК аппарата в силовой цепи и отключению короткозамкнутой нагрузки силовой цепи.

Для предотвращения развития аварийного процесса короткого замыкания нагрузки силовой цепи при отказе какого-либо из элементов привода отключения ПРО с катушкой может быть по традиционной схеме подан дублирующий сигнал на отключение от датчика ДТ тока нагрузки силовой цепи к электромагнитному приводу включения ПРВ, как это показано штрих-пунктирной линией на чертеже.

В заключение необходимо отметить:

1. При изменении полярности напряжений, отмеченных на чертеже, изменяются направления прямого включения полупроводниковых приборов.

2. На чертеже для упрощения не показаны известные защитно-демпфирующие устройства в цепях управления и силовых цепях полупроводниковых приборов, состоящие обычно из резисторов, конденсаторов, варисторов и стабилитронов.

3. При значительных колебаниях напряжения Е_п сети питания собственных нужд формирователи сигналов должны иметь в своей структуре блоки стабилизации.

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к быстродействующим электромагнитным приводам коммутационных аппаратов. Техническим результатом является увеличение быстродействия приводов. В быстродействующем приводе имеются привод включения, конденсатор, зарядное устройство, катушка привода отключения, управляемый ключ, диод и датчик тока нагрузки. Для ускорения отключения короткозамкнутой нагрузки параллельно цепи управления управляемого ключа от датчика тока введены дополнительная цепь из второго и третьего конденсаторов, первого и второго резисторов, импульсный задающий генератор, датчик напряжения на нагрузке и три усилителя-выпрямителя, при этом второй усилитель-выпрямитель запитывается от датчика напряжения на нагрузке и обеспечивает запирающее напряжение для управляемого ключа в установившемся режиме. При коротком замыкании на нагрузке второй усилитель-выпрямитель прекращает формирование запирающего напряжения для управляемого ключа, последний отпирается и срабатывает привод отключения. 1 ил.

Быстродействующий привод коммутационного аппарата, содержащий привод включения, кинематически связанный с главными контактами аппарата, первый конденсатор, зарядное устройство, привод отключения с катушкой, также кинематически связанный с главными контактами аппарата, первый управляемый ключ, датчик тока нагрузки силовой цепи и первый диод, при этом первый конденсатор, первый управляемый ключ и привод отключения с катушкой соединены в один последовательный контур, а датчик тока нагрузки силовой цепи установлен с возможностью управления первым управляемым ключом через первый диод, при этом выходные выводы зарядного устройства подсоединены к первому конденсатору таким образом, чтобы полярность напряжения на этом первом конденсаторе была прямой по отношению к первому управляемому ключу, отличающийся тем, что дополнительно введены второй управляемый ключ, второй диод, первый и второй резисторы, второй и третий конденсаторы, импульсный задающий генератор, датчик напряжения на нагрузке силовой цепи, первый, второй и третий усилители-выпрямители сигнала, при этом первые выводы первого резистора и второго конденсатора подсоединены к второму входному выводу первого управляемого ключа, а их вторые выводы соединены с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с анодом второго диода, катод которого соединен с первым входным выводом первого управляемого ключа, первые и вторые выводы для подвода напряжения питания импульсного задающего генератора и третьего усилителя-выпрямителя сигнала подсоединены к сети питания собственных нужд, первый и второй выводы для подвода напряжения питания первого усилителя-выпрямителя сигнала подсоединены к сети питания собственных нужд через второй управляемый ключ, а выводы для подвода напряжения питания второго усилителя-выпрямителя сигнала подсоединены к выходным выводам датчика напряжения на нагрузке силовой цепи, выходные выводы импульсного задающего генератора соединены с входными выводами первого, второго и третьего усилителей-выпрямителей сигнала, при этом выходные выводы первого и второго усилителей-выпрямителей сигнала соединены с вторым конденсатором таким образом, чтобы напряжение на этом втором конденсаторе было запирающим для первого управляемого ключа, а выходные выводы третьего усилителя-выпрямителя сигнала соединены с третьим конденсатором таким образом, чтобы напряжение на этом третьем конденсаторе было отпирающим для первого управляемого ключа, при этом уровень напряжения на втором конденсаторе должен превышать уровень напряжения на третьем конденсаторе во всех возможных режимах за исключением короткого замыкания нагрузки.