Быстродействующий привод выключателя постоянного тока Советский патент 1992 года по МПК H01H71/43 H01H77/10 

Изобретение относится к области низковольтных электрических аппаратов защиты постоянного тока и предназначено, в основном, для защиты полупроводниковых преобразователей

Для обеспечения надежной работы полупроводниковых преобразователей применяются быстродействующие автоматические выключатели переменного и постоянного тока.

Токоограничивающая способность выключателей определяется в основном быстродействием привода главных контактов и эффективностью дугогасительной камеры

. Известны быстродействующие приводы электродинамического типа основанные на взаимодействии контактодержателей

главных контактов при протекании по ним токов короткого замыкания

Недостатком данных приводов являются сравнительно с другими приводами малые величины сил при токах уставки равных (2-4) ном, требуемых для защиты полупроводниковых преобразователей Это обуславливает повышенные значения времен размыкания контактов и, следовательно, низкую токоограничивающую способность выключателей,

Известны быстродействующие индук- ционно-динамические приводы с емкостным источником питания

Данные приводы обеспечивают необходимое токоограничение выключателей

Однако их недостатками являются по- .вышенные габариты, материалоемкость и

vi

СП

со о ю

Ч)

стоимость вследствие применения конденсаторов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является электромагнитный привод с токовой обмоткой с непосредственным воздействием якоря на подвижный мостиковый контактодержатель главных контактов через толкатель к токоограничивающим выключателям фирмы АЭГ.

Недостатком данного привода является малое быстродействием вследствие запаздывания движения подвижного контакто- держателя после достижения тока уставки, поскольку необходим выбор зазора между толкателем и подвижным контактодержате- лем, а также вследствие присущей электромагнитным приводам меньшей скорости из-за повышенной массы якоря. Уменьшение зазора до нуля невозможно вследствие уменьшения нажатия на контакты при увеличении тока. Увеличение же силы контактной пружины приводит к уменьшению быстродействия. Уменьшение массы якоря ограничено насыщением магнитной системы и, следовательно, ведет к уменьшению силы и быстродействия.

Цель изобретения - повышение быстродействия привода для токоограничивающих выключателей постоянного тока при ограниченных габаритах и стоимости.

Поставленная цель дост игается тем, что быстродействующий привод выключателя постоянного тока, содержащий магнитную систему с токовой обмоткой, якоря, толкатель якоря, расположенный между якорем и контактодержателем подвижных контактов тем, снабжен короткозамкнутой обмоткой, двумя дополнительными толкателями и изоляционной колодкой, магнитная система выполнена Ш-образной, в среднем стержне магнитной системы выполнено сквозное отверстие, в котором свободно расположен толкатель якоря, короткозамкнутая обмотка установлена на среднем стержне между токовой обмоткой и основанием магнитной системы, в котором симметрично относительно сквозного отверстия в среднем стержне выполнены два сквозных отверстия так, что свободно установленные в этих отверстиях дополнительные толкатели имеют возможность взаимодействия с коротко- замкнутой обмоткой, подпружиненной относительно основания магнитной системы, на выступающей из сквозного отверстия части толкателя якоря свободно установлена изоляционная колодка с возможностью взаимодействия одной стороной с контактодержателем подвижных контактов выключателя а другой стороной - с дополнительными толкателями, а также тем, что расстояние между средним и крайними стержнями Ш-образной магнитной системы в месте расположения короткозамкнутой

обмотки выполнено меньшим, чем в месте расположения токовой обмотки.

Именно за счет того, что на контактодержатель подвижных контактов действуют толкатели короткозамкнутой обмотки, а за0 тем толкатель якоря, достигается повышение быстродействия привода при ограниченных габаритах и стоимости.

На фиг, 1, 2 и 3 представлены проекции конструкции предлагаемого привода в от5 ключенном состоянии выключателя, на фиг. 4 и 5 - то же, во включенном состоянии выключателя при величине тока в токовой катушке, меньшей тока уставки; на фиг. 6 - графики изменения переменных величин.

0Привод быстродействующего выключателя постоянного тока (фиг. 1, 2 и 3) содержит неподвижную магнитную систему 1 Ш-образной формы, неподвижную токовую обмотку 2 прямоугольного сечения, намо5 тайную, преимущественно медной лентой, подвижный якорь 3, толкатель якоря 4, свободно проходящий через сквозное отверстие по центру среднего стержня неподвижной магнитной системы, пружину

0 растяжения 5, неподвижный упор 6, подвижную короткозамкнутую обмотку 7 прямоугольного сечения, скобы 8, жестко соединенные с подвижной короткозамкнутой обмоткой 7, пружины сжатия 9, непод5 вижные упоры 10, дополнительные толкатели 11, проходящие свободно через сквозные отверстия неподвижной магнитной системы, изоляционную колодку 12 с отверстием по центру, через которое сво0 бодно проходит толкатель якоря 4.

На фиг. 1-5 также показаны основные узлы контактной системы выключателя, на которую воздействует привод. Она содержит контактодержатель 13 с подвижными

5 контактами, выполненный в виде мостика; пружину сжатия 14, осуществляющую контактное нажатие, обойму 15, связанную кинематически с механизмом свободного расцепления выключателя, контактодержа0 тели 16 неподвижных контактов с выводными шинами.

На фиг. 1-5 для упрощения не показаны направляющие для движения якоря 3 и короткозамкнутой обмотки 7, детали крепле5 ния магнитной системы 1 и обмотки 2, механизм свободного расцепления и его связь с обоймой 15.

Длина толкателя 4 может быть выбрана из условия обеспечения необходимого раствора главных контактов при притянутом

якоре 3 и неподвижной магнитной системе 1. Токовая обмотка 2 соединена последовательно с контактами контактной системы.

В отключенном состоянии выключателя (фиг. 1, 2 и 3) обойма 15 вместе с контакте- держателем 13 и пружиной 14 отведена от неподвижных контактов.

Якорь 3 пружиной растяжения 5 поджат к упору 6, короткозамкнутая обмотка 7 пружинами сжатия 9 через скобы 8 поджата к магнитной системе 1. Толкатели 11 вместе с изоляционной колодкой 12 находятся в верхнем положении. Колодка 12 и контактодер- жатель 13 могут быть взаимно расположены с воздушным зазором или касаться друг друга. Толкатели 11 и колодка 12 могут быть либо соединены жестко, либо касаться друг друга.

Постоянный ток, проходящий по токовой обмотке 2, создает в магнитной системе 1 магнитный поток Ф, проходящий по центральному стержню и далее параллельно по крайним стержням и через воздушные зазоры между крайними стержнями и концами якоря 3 через воздушный зазор между яко- рем 3 и центральным стержнем.

На якорь 3 действует электромагнитная сила РЭМ, притягивающая его к неподвижной магнитной системе. Значение силы пружины растяжения 5 выбирается из условия отрыва якоря 3 от упора 6 при токе уставки выключателя.

Разность сил пружины сжатия 14 и пружин сжатия 9 равна силе контактного нажатия, определяемого по условиям нагрева контактов при протекании номинального тока.

При включении и отключении номинального тока и изменении магнитного потока Ф в короткозамкнутой обмотке 7 на водится ток 2, что приводит к возникновению силы Fn. направленной в сторону толкателей 11. Выбором параметров привода обеспечивается отсутствие размыкания контактов и недопустимого по условиям их нагрева уменьшения кратковременно силы контактного нажатия.

При возникновении в защищаемом выключателем преобразователе короткого замыкания происходит увеличение тока м в токовой обмотке 2 и потока Фс повышенной скоростью, что вызывает резкое увеличение тока 2 в короткозамкнутой обмотке 7 и соответственно силы Fn. а также силы F3M (фиг. 4).

Поскольку между толкателем 4 и контак- тодержателем 13 подвижных контактов имеется зазор и сила Fn больше РЭм на начальном этапе роста тока короткого замыкания, то размыкание контактов происходит под действием толкателей 11.

Повышенное значение сипы Fn на начальном этапе обусловлено наведением в короткозамкнутой обмотке 7 тока 2 приближенно равным hWi. где Wi - число витков токовой обмотки 2.

На фиг. 6 показано качественное изменение сил Fn и РЭМ, токов И и |т, перемещения 5i короткозамкнутой обмотки 7, перемещения 62 якоря 3 и перемещения 5К контактов.

При ограничении тока h электрической дугой, возникающей между размыкающимися контактами, происходит уменьшение скорости изменения тока И и, соответственно, уменьшение тока 2 и силы Fn. Это приводит к уменьшению скорости перемещения контактов 3п. При этом будет происходить увеличение магнитного потока Фи. соответственно, силы Рэм за счет уменьшения воздушного зазора между якорем 3 и неподвижной магнитной системой 1 и уменьшение размагничивающего действия подвижной короткозамкнутой обмотки 7, поскольку приближенно

Ф - (iiWi.-i2)Gn:

LIU vt,

//oSl2,«oS2

где GB общая магнитная проводимость воздушных зазоров, д (фиг. 1, 2).

Si - площадь торца центрального стержня;

5г - площадь прилегания якоря и крайнего стержня;

//0- магнитная проницаемость воздуха.

Это приводит к ускорению перемещения г) 2 якоря 3 и его воздействию с контак- тодержателем 13 подвижных контактов в момент времени т.к. Далее движение указанного контактодержателя 13 происходит только под действием якоря 3.

При этом масса короткозамкнутой обмотки 7 и изоляционной колодки 12 не оказывает тормозящего действия на движение якоря 3 с контактодержателем 12 подвижных контактов.

В процессе движения якорь 3 воздействует на механизм свободного расцепления (не показан), что вызывает размыкание главных контактов на заданный раствор после отключения тока и возврата якоря 3 в исходное положение,доказанное на фш. 1. 2 и 3, под действием пружины растяжения 5

При малой скорости нарастания тока ко роткого замыкания, вызванной повышенным значением индуктивности контура, когда величины силы Fn меньше силы контактного нажатия, размыкание контактов происходит под действием якоря 3 с запаздыванием, однако при этом токоограничи- вающэя способность выключателя не ухудшается, поскольку за время запаздывания ток короткого замыкания существенно не увеличивается.

По сравнению с устройством-прототипом предлагаемое устройство обладает следующими преимуществами:

-на контактодержатель подвижных контактов без запаздывания, свойственного электромагнитному приводу по прототипу из-за необходимости введения зазора между якорем и указанным контактодержа- телем, действует сила от короткозамкнутой обмотки, что уменьшает время размыкания главных контактов;

-скорость размыкания контактов, опре; деляющая в первую очередь токоограничи- вающую способность выключателя, увеличивается за счет большей силы Fn по сравнению с Рэм и меньшей массы коротко- замкнутой обмотки по сравнению с массой якоря,

-в одной конструкции с общей магнитной системой сочетаются два типа привода - электромагнитный и электродинэмиче- окий, воздействующие последовательно на контактодержатель подвижных контактов;

-сочетание двух типов приводов позволяет одновременно устранить недостаток электродинамического привода, заключающийся в существовании зоны токов, в которой возможен отброс и последующий возврат контактодержателя подвижных контактов с вероятностью приваривания контактов, и недостаток электромагнитного привода, заключающийся в запаздывании воздействия на указанный контактодержа- гель. Поскольку величины токов в коротко- замкнутой обмотке 7 и, соответственно, силы Fn, действующей на короткозамкнутую обмотку 7, пропорциональны числу витков токовой обмотки 2, то желательно их увеличивать. Однако при этом увеличиваются активное сопротивление токовой обмотки 2 и, соответственно, тепловые потери в ней, это вызывает недопустимый нагрев выключателя. Поэтому необходимо увеличивать сечение токовой обмотки 2 и соответственно ширину пазов в неподвижной магнитной системе. Увеличение высоты токовой обмотки 2 нежелательно вследствие большего увели чения длины МРП-ИШОИ ЦРПИ и влияния потерь нзмагнич1 1 ; ю1дои силы

С другой стороны, величина силы, действующей на подвижную короткоззмкнутую обмотку, равная

г п

где 2 - ток в короткозамкнутой обмотке, b - длина обмотки в пазу (фиг 2);

с - ширина паза (фиг. 1).

обратно пропорциональна ширине паза (в пределах до насыщения магнитной системы). Отсюда следует, что для привода выключателей на повышенные номинальные токи (ориентировочно более 63 А) целесообразно применять Ш-образную магнитную систему, в которой ширина пазов в месте расположения короткозамкнутой обмотки 7 была бы меньше, чем в месте расположения

токовой обмотки 2. Данный вариант конструкции показан на фиг. 1-3. Ее недостаток - более сложная форма магнитной системы - компенсируется преимуществами: уменьшением тепловых потерь в токовой обмотке,

повышением быстродействия.

Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство позволяет повысить быстродействие привода для то- коограничивающих выключателей постоян® ного тока при ограниченных его габаритах и стоимости за счет того, что на контактодержатель главных подвижных контактов действуют толкатели короткозамкнутой обмотки и толкатель якоря, установленные

5 заявляемым образом, а также за счет применения совмещенной магнитной системы. Формула изобретения 1. Быстродействующий привод выключателя постоянного тока, содержащий магнитную систему с токовой обмоткой, якорь, толкатель якоря, расположенный между якорем и контактодержателем подвижных контактов выключателя, отличающий- с я тем, что, с целью повышения быстродей5 ствия при сохранении габаритов и стоимости, он снабжен короткозамкнутой обмоткой, двумя дополнительными толкателями и изоляционной колодкой, магнитная система выполнена Ш-образной, в среднем

0 стержне магнитной системы выполнено сквозное отверстие, в котором свободно расположен толкатель якоря, короткозамк- нутая обмотка установлена на среднем стержне между токовой обмоткой и основанием магнитной системы, в котором симметрично относительно сквозного отверстия в среднем стержне выполнены два сквозных отверстия так, что свободно установленные в этих отверстиях дополнительные толкатели имеют возможность вза имодействия с короткозамкнутой обмоткой, подпружиненной относительно основания магнитной системы, на выступающей из сквозного отверстия части толкателя якоря свободно установлена изоляционная колодка с возможностью взаимодействия одной стороной с контактодержателем подвижных

контактов выключателя а другой с горо ной с дополнительными ТОЛКЭТРЛЯМИ

2 Привод по п 1 о т л и ч i о щ и г i ч тем что расстояния между средним и крайними стержнями Ш обратной мт пит ной системы в месте расположения корп- козямкнутой обмотки выполнено меньшим чем в месте расположения токоопи обмотки

Использование: в низковольтных электрических аппаратах защиты постоянного тока, преимущественно для защиты пелу- проводниковых преобразователей. Сущность изобретения в среднем стержне Ш-образной магнитной системы выполнено сквозное отверстие, в котором свободно расположен толкатель якоря. В основании магнитной системы симметрично относительно первого сквозного отверстия выполнены два сквозных отверстия в которых свободно установлены дополнительные тол- атели, перемещаемые при прохождении тока по короткозамкнутой обмотке, установленной на среднем стержне мэгнитной системы Дополнительные толкатели через изоляционную колодку действуют на подвижные контакты, размыкая цепь 1 з п ф-лы, 6 ил (Л С

/J

16

Фиг Z

/

Фиг. 4

4А

т44п fh

i - i

till

ФиаЗ

/5

.5

Фиг. 6