Способ автоматического выключения постоянного тока и устройство для его осуществления

Способ автоматического выключения постоянного тока и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты транспортного и промышленного электрооборудования от аварийных ситуаций - перегрузок, пробоев и утечек изоляции или коротких замыканий.

Известны способ автоматического выключения постоянного тока и устройство для его реализации, содержащее электромагнит, размыкающие контакты, катушку, тягу, якори электромагнита, пружины, рычаг с валиком, упоры, привод и короткозамкнутые кольца (см. Патент РФ №1725286, кл. Н 01 Н 75/02 от 13.07.89).

Однако известные способ и устройство для его реализации не могут обеспечить высокое быстродействие при выключении по команде цепи управления.

Известен способ автоматического выключения постоянного тока, при котором в цепи питания нагрузки от источника постоянного тока через размыкающие контакты электромеханического автоматического выключателя в случае аварийного состояния, например, перегрузки, пробоя или короткого замыкания, сначала размыкают указанные контакты путем воздействия тока нагрузки на цепь размагничивающей катушки, включенной магнитно-встречно с удерживающей катушкой выключателя, а затем производят удлинение и разрыв образовавшейся в дугогасительной камере выключателя дуги путем электромагнитного дутья с помощью тока нагрузки, протекающего в дугогасительной катушке выключателя. Устройство, реализующее данный известный способ, содержит положительную шину источника питания, подключенную к положительному зажиму нагрузки через силовую цепь автоматического выключателя, выполненную в виде последовательно соединенных размыкающих контактов, из которых подвижный закреплен на общем рычаге с магнитопроводящим якорем, дугогасительной катушки и размагничивающей катушки, включенной магнитно-встречно с удерживающей катушкой, подключенной к источнику тока удержания через цепь управления с командным органом (См. Цукало П.В. и др. Эксплуатация электропоездов. Справочник. - М.: Транспорт, 1994 г., стр. 31...35, 94, 95).

Однако известные способ и устройство для его реализации не могут обеспечить высокое быстродействие при выключении по сигналу командного органа цепи управления - из-за большой инерционности удерживающей катушки, а также при самовыключении при достижении током нагрузки уровня уставки - по той же причине и из-за отсутствия при этом опережающей информации об аварии. Это приводит к снижению эффективности защиты электрооборудования, к повышению пожароопасности и к снижению срока службы выключателя.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ автоматического выключения постоянного тока, при котором в цепи питания нагрузки от источника постоянного тока через размыкающие контакты электромеханического автоматического выключателя в случае аварийного состояния, например, перегрузки, пробоя или короткого замыкания, сначала размыкают указанные контакты путем разрядки предварительно заряженного через цепь зарядки первого конденсатора на цепь размагничивающей катушки, включенной магнитно-встречно с удерживающей катушкой выключателя, затем производят удлинение и разрыв образовавшейся в дугогасительной камере выключателя дуги путем электромагнитного дутья с помощью импульса тока в дугогасительной катушке выключателя, формируемого разрядкой предварительно заряженного через цепь зарядки второго конденсатора. Разрядка обоих конденсаторов производится самопроизвольно через пассивные цепи, образованные обратным диодом и цепью аварийной нагрузки (См. Патент РФ №2167478, кл. 7 Н 02 Н 3/087, H 01 H 75/02, В 60 L 3/04 от 20.05.2001 г.).

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, содержащее силовую цепь электромеханического автоматического выключателя, включенную между первой шиной источника питания и одноименным по полярности первым зажимом нагрузки и выполненную в виде последовательно соединенных размыкающих контактов, из которых подвижный закреплен на общем с магнитопроводящим якорем рычаге, и двух катушек - дугогасительной и размагничивающей, соединенных между собой первыми выводами, удерживающую катушку, имеющую общий магнитопровод и включенную магнитно-встречно с размагничивающей катушкой и подключенную к источнику тока удержания через цепь управления с командным органом, дроссель и диод, соединенные между собой последовательно, образуя цепочку, включенную в непроводящем направлении между вторыми выводами дугогасительной и размагничивающей катушек, два конденсатора, первые выводы которых соединены между собой через резистор и оба вывода каждого из которых связаны с цепью зарядки (см. там же).

Однако известные способ и устройство для его реализации не обеспечивают высокое быстродействие при выключении по сигналу командного органа цепи управления - из-за большой инерционности удерживающей катушки, а также при самовыключении при достижении током нагрузки с плавно нарастающей перегрузкой уровня уставки - по той же причине и из-за отсутствия при этом опережающей информации об аварии. Кроме того, реализация задержки разрядки второго конденсатора относительно разрядки первого конденсатора с помощью пассивных элементов затруднена. Это также приводит к снижению эффективности защиты электрооборудования, к повышению пожароопасности при авариях и к снижению стока службы выключателя.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является повышение быстродействия при выключении по сигналу командного органа цепи управления и, как следствие, - повышение эффективности защиты электрооборудования, снижение пожароопасности при авариях и повышение срока службы выключателя.

Указанный технический результат достигается тем, что согласно способу автоматического выключения постоянного тока посредством электромеханического автоматического выключателя с удерживающей и включенной магнитно-встречно с ней размагничивающей катушками и дугогасительной камерой с дугогасительной катушкой, контролируют состояние цепи питания нагрузки и в случае аварийного ее состояния сначала размыкают контакты электромеханического автоматического выключателя путем разряда предварительно заряженного первого конденсатора через первый управляемый электронный ключ на цепь размагничивающей катушки, после чего через заданный промежуток времени, достаточный для образования между контактами дуги, удлиняют и разрывают образовавшуюся в дугогасительной камере дугу путем разряда предварительно заряженного второго конденсатора через второй управляемый электронный ключ на цепь дугогасительной катушки.

Аварийное состояние цепи нагрузки может быть определено по ее перегрузке, пробою и утечке изоляции или короткому замыканию в ней.

Технический результат достигается и тем, что в устройстве для автоматического выключения постоянного тока, содержащем командный орган, ко входам которого подключены датчики аварийных состояний цепи нагрузки, электромеханический автоматический выключатель с размыкающими контактами, удерживающей и размагничивающей катушками, размещенными на общем магнитопроводе и дугогасительной камерой с дугогасительной катушкой, первый конденсатор и два управляемых электронных ключа, причем силовая цепь электромеханического автоматического выключателя включена между зажимом для подключения к одной из шин источника питания и одноименным с ней по полярности зажимом для подключения цепи нагрузки и выполнена в виде последовательно соединенных указанных размыкающих контактов, из которых подвижный закреплен на общем с магнитопроводящим якорем рычаге электромеханического автоматического выключателя, дугогасительной и размагничивающей катушек, последняя из которых включена магнитно-встречно с удерживающей катушкой, связанной с источником тока удержания через ключ управления, соединенный управляющим входом с первым выходом командного органа, подключенный к источнику зарядки второй конденсатор, одним из выводов связанный через дроссель с объединенными между собой выводами размыкающего контакта и дугогасительной катушки, а через диод - с другим выводом той же катушки и одним из выводов первого конденсатора, подключенным через второй управляемый электронный ключ к другому выводу второго конденсатора, соединенному через резистор с другим выводом первого конденсатора, связанным с другим выводом размагничивающей катушки через первый управляемый электронный ключ, управляющий вход которого соединен со вторым выходом командного органа, третьим выходом подключенного к управляющему входу второго управляемого электронного ключа, при этом управляемые электронные ключи подсоединены в направлении, обеспечивающем при их открытии разряд каждого конденсатора через соответствующий управляемый электронный ключ, диод подсоединен в направлении, обеспечивающем протекание тока дугогасительной катушки после полной разрядки второго конденсатора, а командный орган выполнен с возможностью появления сигнала на его третьем выходе с задержкой по времени по отношению к сигналу на его втором выходе.

Датчики аварийных состояний цепи нагрузки могут быть выполнены с возможностью распознавания перегрузок, пробоев и утечек изоляции или коротких замыканий в цепи нагрузки.

В качестве датчиков аварийных состояний цепи нагрузки могут быть использованы датчик тока и дифференциальный датчик тока с выходными компараторами, силовые выводы которых включены последовательно с цепью нагрузки, а также датчик напряжения с выходным компаратором, включенным своим входом параллельно нагрузке.

Полюсные зоны магнитопроводящего якоря электромеханического автоматического выключателя могут быть обвиты замкнутыми проводниками.

Источник зарядки может быть выполнен в виде управляемого источника тока с цепью обратной связи по напряжению.

На чертеже представлена электрическая принципиальная схема устройства для автоматического выключения постоянного тока.

Устройство для автоматического выключения постоянного тока содержит силовую цепь электромеханического автоматического выключателя 1, включенную между зажимом 2 для подключения положительной шины источника питания и одноименным по полярности с ним зажимом 3 нагрузки и выполненную в виде последовательно соединенных размыкающих контактов 4, из которых подвижный закреплен на общем с магнитопроводящим якорем 5 рычаге электромеханического автоматического выключателя 1, и двух катушек - дугогасительной 6 и размагничивающей 7.

Удерживающая катушка 8 включена магнитно-встречно с размагничивающей катушкой 7, размещена на общем с ней магнитопроводе 9 и связана с источником тока удержания 10 через ключ управления 11, соединенный управляющим входом с первым выходом командного органа 12.

Устройство содержит также дроссель 13, диод 14, два конденсатора 15 и 16, резистор 17, источник зарядки 18, два управляемых электронных ключа 19 и 20.

Конденсатор 16 подключен к источнику зарядки 18.

Один из выводов конденсатора 16 связан через дроссель 13 с объединенными между собой выводами размыкающего контакта 4 и дугогасительной катушки 6, а через диод 14 - с другим выводом той же катушки 6 и одним из выводов конденсатора 15, который подключен через второй управляемый электронный ключ 20 к другому выводу конденсатора 16.

Этот вывод конденсатора 16 соединен через резистор 17 с другим выводом конденсатора 15, который связан с другим выводом размагничивающей катушки 7 через первый управляемый электронный ключ 19.

Управляющий вход первого управляемого электронного ключа 19 соединен со вторым выходом командного органа 12.

Третий выход командного органа 12 подключен к управляющему входу второго управляемого электронного ключа 20.

Управляемые электронные ключи 19 и 20 подсоединены в направлении, обеспечивающем при их открытии разряд конденсаторов 15 и 16, соответственно через управляемые электронные ключи 19 и 20.

Диод 14 подсоединен в направлении, обеспечивающем протекание тока дугогасительной катушки 6 после полной разрядки конденсатора 16, т.е. в данном случае катодом к конденсатору 16, а анодом к конденсатору 15.

Командный орган 12 выполнен с возможностью появления сигнала на его третьем выходе с задержкой по времени по отношению к сигналу на его втором выходе.

Входы командного органа 12 соединены с выходами пороговых датчиков аварийных состояний, выполненных с возможностью распознавания аварийных ситуаций, например, перегрузок, пробоев и утечек изоляции или коротких замыканий. В качестве пороговых датчиков аварийных состояний использованы датчик тока 21 и дифференциальный датчик тока 22 с выходными компараторами, силовые выводы которых включены последовательно с цепью нагрузки, а также датчик напряжения 23 с выходным компаратором, включенный своим входом параллельно нагрузке.

Полюсные зоны магнитопроводящего якоря электромеханического автоматического выключателя 1 обвиты замкнутыми проводниками 24.

Источник зарядки 18 выполнен, например, в виде управляемого источника тока с цепью обратной связи по напряжению или в виде зарядного резистора, показанного пунктиром. Вторая шина 25 источника питания гальванически связана со вторым зажимом 26 нагрузки.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном рабочем режиме нагрузка обеспечивается постоянным током от источника питания. При этом контакты 4 замкнуты и удерживаются электромагнитом, образуемым удерживающей катушкой 8, питаемой от источника тока удержания 10 через замкнутый ключ управления 11. К рассматриваемому далее моменту времени конденсаторы 15, 16 заряжены либо через зарядный резистор, либо от управляемого источника тока 18.

В одном из аварийных режимов (перегрузка, пробой, утечка изоляции или короткое замыкание) на выходе хотя бы одного из пороговых датчиков аварийных состояний 21, 22, 23 возникает сигнал, поступающий на вход командного органа 12, который сначала формирует на втором своем выходе сигнал для включения первого управляемого электронного ключа 19, а через заданное время, достаточное для образования между контактами 4 дуги, формирует сигнал на третьим своем выходе для включения второго управляемого электронного ключа 20.

Сигнал на выключение ключа управления 11 для обесточивания удерживающей катушки 8 может быть сформирован на первом выходе командного органа 12, либо после возникновения сигнала на входе командного органа 12, либо посредством вмешательства оператора. При отпирании первого управляемого электронного ключа 19 (например, тиристора) первый конденсатор 15 при своем разряде обеспечивает мощный импульс тока в размагничивающей катушке 9. Этот импульс приводит к ускоренному размыканию контактов 4 путем нейтрализации магнитного потока удерживающей катушки 8 за счет возвратной пружины, связанной с рычагом магнитопроводящего якоря 5, а также за счет взаимодействия импульсного тока с током, индуцированным в замкнутых проводниках 24.

Через вышеуказанное заданное время, после отпирания второго управляемого электронного ключа 20 происходит разряд второго конденсатора 16 через дроссель 13 на дугогасительную катушку 6. После полной разрядки второго конденсатора 16 ток дугогасительной катушки 6 не выключается, а продолжает протекать через диод 14, создавая существенное магнитное поле, которое воздействует на электрическую дугу, возникшую между контактами 4, вытягивая ее в протяженную (например, лабиринтную или щелевую) область дугогасительной камеры, где энергия дуги выделяется на стенках и перегородках камеры. После полного выключения тока питания нагрузки в случае использования в качестве зарядной цепи 18 управляемого источника тока заряд на конденсаторах 15, 16 плавно восстанавливается, готовя конденсаторы к возможному повторному включению оператором автоматического выключателя 1.

Таким образом достигается технический результат - повышение быстродействия при выключении по сигналу командного органа цепи управления и, как следствие, дополнительный технический эффект: повышение эффективности защиты электрооборудования, снижение пожароопасности при авариях и повышение срока службы выключателя.

1. Способ автоматического выключения постоянного тока посредством электромеханического автоматического выключателя с удерживающей и включенной магнитно-встречно с ней размагничивающей катушками и дугогасительной камерой с дугогасительной катушкой, при котором контролируют состояние цепи питания нагрузки и в случае аварийного ее состояния сначала размыкают контакты электромеханического автоматического выключателя путем разряда предварительно заряженного первого конденсатора через первый управляемый электронный ключ на цепь размагничивающей катушки, после чего через заданный промежуток времени, достаточный для образования между контактами дуги, удлиняют и разрывают образовавшуюся в дугогасительной камере дугу путем разряда предварительно заряженного второго конденсатора через второй управляемый электронный ключ на цепь дугогасительной катушки.

2. Способ автоматического выключения постоянного тока по п.1, в котором аварийное состояние цепи нагрузки определяют по ее перегрузке, пробою и утечке изоляции или короткому замыканию в ней.

3. Устройство для автоматического выключения постоянного тока, содержащее командный орган, ко входам которого подключены датчики аварийных состояний цепи нагрузки, электромеханический автоматический выключатель с размыкающими контактами, удерживающей и размагничивающей катушками, размещенными на общем магнитопроводе и дугогасительнои камерой с дугогасительнои катушкой, первый конденсатор и два управляемых электронных ключа, причем силовая цепь электромеханического автоматического выключателя включена между зажимом для подключения к одной из шин источника питания и одноименным с ней по полярности зажимом для подключения цепи нагрузки и выполнена в виде последовательно соединенных указанных размыкающих контактов, из которых подвижный закреплен на общем с магнитопроводящим якорем рычаге электромеханического автоматического выключателя, дугогасительной и размагничивающей катушек, последняя из которых включена магнитно-встречно с удерживающей катушкой, связанной с источником тока удержания через ключ управления, соединенный управляющим входом с первым выходом командного органа, подключенный к источнику зарядки второй конденсатор, одним из выводов связанный через дроссель с объединенными между собой выводами размыкающего контакта и дугогасительной катушки, а через диод - с другим выводом той же катушки и одним из выводов первого конденсатора, подключенным через второй управляемый электронный ключ к другому выводу второго конденсатора, соединенному через резистор с другим выводом первого конденсатора, связанным с другим выводом размагничивающей катушки через первый управляемый электронный ключ, управляющий вход которого соединен со вторым выходом командного органа, третьим выходом подключенного к управляющему входу второго управляемого электронного ключа, при этом управляемые электронные ключи подсоединены в направлении, обеспечивающем при их открытии разряд каждого конденсатора через соответствующий управляемый электронный ключ, диод подсоединен в направлении, обеспечивающем протекание тока дугогасительной катушки после полной разрядки второго конденсатора, а командный орган выполнен с возможностью появления сигнала на его третьем выходе с задержкой по времени по отношению к сигналу на его втором выходе.

4. Устройство для автоматического выключения постоянного тока по п.3, в котором датчики аварийных состояний цепи нагрузки выполнены с возможностью распознавания перегрузок, пробоев и утечек изоляции или коротких замыканий в цепи нагрузки.

5. Устройство для автоматического выключения постоянного тока по п.3 или 4, в котором в качестве датчиков аварийных состояний цепи нагрузки использованы датчик тока и дифференциальный датчик тока с выходными компараторами, силовые выводы которых включены последовательно с цепью нагрузки, а также датчик напряжения с выходным компаратором, включенным своим входом параллельно нагрузке.

6. Устройство для автоматического выключения постоянного тока по одному из пп.3-5, в котором полюсные зоны магнитопроводящего якоря электромеханического автоматического выключателя обвиты замкнутыми проводниками.

7. Устройство для автоматического выключения постоянного тока по одному из пп.3-6, в котором источник зарядки выполнен в виде управляемого источника тока с цепью обратной связи по напряжению.