НАМАГНИЧИВАЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2007 года по МПК H01F27/28 H01F29/00 

Намагничивающая система предназначена для создания магнитного потока в магнитопроводе электромеханических устройств переменного и постоянного тока параллельного включения.

Известны намагничивающие (индукционные) катушки, наматываемые изолированным проводом круглого сечения.

Обмоточные данные известных индукционных катушек (число витков и диаметр намоточного провода) зависят от напряжения сети включения и потребляемой мощности устройством. С ростом напряжения число витков возрастает, а диаметр намоточного провода уменьшается. Следовательно, возрастает трудоемкость их изготовления и себестоимость изделия Л-1, стр.209, таблица 148; стр.208, таблица 147; стр.216, таблица 158 (ксерокопия прилагается).

Цель настоящего изобретения состоит в снижении себестоимости производства электромеханических устройств небольшой мощности, например реле защиты и автоматики, повышении механической прочности изделий и степени быстродействия.

Поставленная цель достигается заменой одиночных индукционных катушек намагничивающими системами, Фиг.1, состоящими из основной 1 и дополнительной обмоток 2 на общем магнитопроводе, наматываемых в одинаковом направлении.

Основная обмотка наматывается проводом круглого сечения и содержит W_o витков. Дополнительная обмотка содержит W_д витков и наматывается трехпроводным плоским жгутом, содержащим проводящие полосы 1П, 2П, 3П и изоляционные прокладки 1U, 2U, 3U между проводящими полосами. Обмотки соединяются между собой последовательно. Для этого начало «Н» одной из проводящих полос соединяется с концом «К» основной обмотки, а ее начало и концы двух других проводящих полос присоединяются к источнику на напряжение U_c.

Намагничивающая сила F_c двух обмоток системы равна:

где I_ц - ток в обмотках намагничивающей системы. Причем в любом сечении намоточного жгута он одинаков и равен: I_1П+I_2П+I_3П. Основание - Первый закон Кирхгофа.

Напряжение на основной обмотке U_o с преобладающим индуктивным сопротивлением и напряжение на дополнительной обмотке U_д с преобладающим емкостным сопротивлением практически находятся в противофазе.

Следовательно: U_c=U_д+(-U_o). Откуда

Векторная диаграмма представлена на Фиг.2, из которой следует, что ток в обмотках намагничивающей системы опережает напряжение сети включения U_c на 90° или на четверть периода по времени.

Дополнительная обмотка обладает преимущественно емкостным сопротивлением

С учетом уравнений (1) и (2):

Емкость намоточного жгута, Л-2, стр.112-115

где F_c - намагничивающая сила А двух обмоток системы, обеспечивающая нормальное функционирование электромеханического устройства, задаваемая при его конструировании; F_с=F_расч.

ω - угловая частота переменного тока, равная:

ω=2π·f=314 рад/с при f=50 Гц

(отступить 1,5 интервала и продолжать).

Намагничивающая система может состоять из одной индукционной обмотки 1, на магнитопроводе, Фиг.3, и последовательно включаемого конденсатора 3, наматываемого трехпроводным плоским жгутом.

Одна из проводящих полос намоточного жгута соединяется с индукционной обмоткой, а две другие проводящие полосы и второй конец обмотки присоединяются к сети - на напряжение U_c.

Векторная диаграмма напряжений представлена на Фиг.4.

Емкость конденсатора определяется из уравнения:

Намагничивающая система, состоящая из основной и дополнительной обмоток или из основной обмотки и последовательно включаемого конденсатора, обеспечивает возможность замены традиционных обмоток (катушек) с большим числом витков из тонкого провода, номинальное напряжение которых равно напряжению сети включения, на маловитковые, номинальное напряжение которых многократно ниже напряжения сети включения. Проведенные расчеты подтверждают возможность и целесообразность такой замены.

В Л-1 на стр.209, таблица 148 представлена техническая характеристика реле переменного тока типа МКУ-48 напряжением от 12 В до 380 В, с числом витков от 600 до 18000 и диаметром провода от 0,41 мм до 0,06 мм, с намагничивающей силой обмотки 300 А.

По расчетной формуле

определяется электрическая емкость жгута, которым наматывается конденсатор, включаемый последовательно с индукционной катушкой (обмоткой) электромеханического устройства при включении в сеть более высокого напряжения.

В качестве примера рассмотрено включение реле МКУ-48 (U_ном.=60 В; W_o=2600; F_расч=300 А) в сеть напряжением 220; 380; 500 и 660 В. Результаты расчета емкости жгута:

С_ж(220)=1,14 мкФ; С_ж(380)=0,72 мкФ; С_ж(500)=0,57 мкФ; С_ж(660)=0,44 мкФ.

По вычисленным значениям С_ж определяются его параметры из формулы:

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала прокладки;

ε_o - абсолютная диэлектрическая проницаемость ε_o=8,86·10^-12 Ф/м;

S - площадь проводящей полосы, м²;

d - толщина прокладки, м.

Оптимальное соотношение между емкостью жгута и параметрами индукционной обмотки (U_ном, W_o, d провода) определяется при разработке конструкции электромеханического устройства.

Небольшие емкости намоточного жгута, полученные расчетом, а следовательно, и небольшие размеры наматываемых жгутом обмоток подтверждают возможность располагать дополнительные обмотки непосредственно на магнитопроводе вместе с основной обмоткой.

В намагничивающих системах электромеханических устройств постоянного тока параллельного включения можно использовать маловитковую обмотку на магнитопроводе и последовательно включаемый конденсатор, Фиг.5. Намагничивающая сила в индукционной обмотке будет возбуждаться, согласно Л-4, стр.242, §15.3, зарядным током конденсатора I_з в момент включения устройства и током разряда I_р конденсатора на шунт 5 в момент его отключения, Фиг.6.

Намагничивающая система рассмотренной конструкции обеспечивает самую высокую степень быстродействия электромеханического устройства, что особенно важно для успешной работы системной автоматики в сетях высокого напряжения.

Емкость конденсатора, включаемого последовательно с катушкой в цепях постоянного тока, можно определить экспериментально - методом подбора или аналитически.

В таблице 147 (Л-1, стр.208) обмотка реле МКУ-48 номинальным напряжением 220 В, W=27000, d=0,05 мм, R=20000 Ом может быть заменена, например, низковольтной обмоткой U=24 B, W=4000, d=0,16 мм, R=2800 м или обмоткой U=12 B, W=2100, d=0,21 мм, R=850 м и последовательно соединяемым конденсатором необходимой емкости.

Индукционная обмотка реле РУ-21/220 (U=220 B, W=61000, d=0,05 мм, R=28000 Ом) (Л-1, стр.216, таблица 158) может быть заменена, например, намагничивающей системой с обмоткой U=24 B, W=7000, d=0,15 мм, R=360 Ом или обмоткой U=12 B, W=3400, d=0,21 мм, R=87 Ом и последовательно включаемым конденсатором, емкость которого определяется методом подбора или аналитически.

Технико-экономический эффект от внедрения в производство разработанного технического решения извлекается за счет снижения трудоемкости изготовления индукционных катушек, замены намоточного провода малых диаметров на больший, повышения механической прочности изделия и степени быстродействия электромеханического устройства.

Представленное техническое решение обозначенной проблемы неизвестно из источников патентной информации и неизвестно применение подобного решения в производстве.

По мнению автора, техническое решение обладает существенной новизной, полезностью, достаточным уровнем патентоспособности и нуждается в защите патентом РФ.

Источники информации

1. Л.И.Какуевицкий, Т.В.Смирнова. Справочник «Реле защиты и автоматики «Энергия». 1972 г.

2. В.Е.Китаев, П.С.Шляпингох. Электротехника с основами промышленной электроники. Издательство «Высшая школа», Москва, 1973 г.

3. Г.В.Геращенко. «Справочное руководство по изготовлению катушек электроаппаратов», Госэнергоиздат, Ленинград, 1958 г.

4. А.Е.Каплянский, А.П.Лысенко, Л.С.Полотовский. Теоретические основы электротехники. Высшая школа. Москва, 1972.

Изобретение относится к области приборостроения. Технический результат заключается в снижении себестоимости производства электромеханических устройств небольшой мощности. Намагничивающая система для электромеханических устройств переменного тока параллельного включения создает магнитный поток в магнитопроводе и содержит основную и дополнительную обмотки на общем магнитопроводе, наматываемые в одинаковом направлении и соединяемые последовательно, при этом номинальное напряжение основной обмотки, наматываемой проводом круглого сечения, многократно ниже напряжения сети включения, дополнительная обмотка наматывается плоским жгутом, содержащим три проводящие полосы и три изоляционные прокладки между ними. Другой вариант включает индукционную обмотку на магнитопроводе и последовательно включаемый конденсатор, причем номинальное напряжение индукционной обмотки многократно ниже напряжения в сети включения, а конденсатор наматывается трехпроводным плоским жгутом. Намагничивающая система для электромеханических устройств постоянного тока параллельного включения импульсного действия содержит маловитковую индукционную обмотку на магнитопроводе и последовательно включаемый конденсатор, наматываемый трехпроводным плоским жгутом, источник постоянного тока, при этом намагничивающая сила в индукционной обмотке создается кратковременно-зарядным током конденсатора в момент включения устройства и током разряда конденсатора на шунт в момент отключения устройства. 3 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Намагничивающая система для электромеханических устройств переменного тока параллельного включения, состоящая из основной и дополнительной обмоток на общем магнитопроводе, наматываемых в одинаковом направлении и соединяемых последовательно, отличающаяся тем, что номинальное напряжение основной обмотки, наматываемой проводом круглого сечения, многократно ниже напряжения сети включения, дополнительная обмотка наматывается плоским жгутом, содержащим три проводящие полосы и три изоляционные прокладки между ними, внутренние концы двух проводящих полос присоединяются к одной фазе, а наружный конец третьей соединяется с внутренним концом основной обмотки, наружный конец которой присоединяется к другой фазе.2. Намагничивающая система для электромеханических устройств переменного тока параллельного включения, состоящая из индукционной обмотки на магнитопроводе и последовательно включаемого конденсатора, отличающаяся тем, что номинальное напряжение индукционной обмотки многократно ниже напряжения в сети включения, а конденсатор, на который приходится избыточная часть напряжения сети включения, наматывается трехпроводным плоским жгутом, одна проводящая полоса жгута присоединяется к индукционной обмотке, другой конец которой и две другие проводящие полосы жгута присоединяются к сети, причем обе полосы присоединяются к одной общей для них фазе.3. Намагничивающая система для электромеханических устройств постоянного тока параллельного включения импульсного действия, содержащая маловитковую индукционную обмотку на магнитопроводе и последовательно включаемый конденсатор, наматываемый трехпроводным плоским жгутом, одна проводящая полоса которого присоединяется к индукционной обмотке, а две другие полосы и второй конец обмотки присоединяются к источнику постоянного тока, причем обе проводящие полосы присоединяются к одному полюсу источника, отличающаяся тем, что намагничивающая сила в индукционной обмотке создается кратковременно зарядным током конденсатора в момент включения устройства и током разряда конденсатора на шунт в момент отключения устройства.