Пристрій для керування бістабільним електромагнітом комутаційного апарата

Реферат: Пристрій для керування бістабільним електромагнітом комутаційного апарата містить перетворювач напруги, конденсатор, мікроконтролер, перший і другий транзистори, перший і другий тиристори, перший і другий діоди, перший і другий резистори. UA 73342 U (12) UA 73342 U UA 73342 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області електротехніки, а саме до пристроїв для керування одночасною комутацією двох обмоток бістабільного електромагніта в комутаційних апаратах, зокрема в приводах високовольтних вакуумних вимикачів, що використовуються в комплектних розподільних пристроях і в камерах збірних одностороннього обслуговування, а також в різних пристроях автоматики. Відомий пристрій для керування бістабільним електромагнітом комутаційного апарата (див. сайт http://www.vsoyuz.ru/i/pdf/TI/cb/01_TI_VCB_BP.pdf. Выключатели вакуумные серии ВР. Техническая информация. НКАИ.670049.011 ТИ. Редакция 10. - Концерн «Высоковольтный союз», 2010. - 50 с. - С. 16, 33), що виконаний у вигляді електромеханічної системи з двома колами релейно-контактних елементів. Кожне коло виконано з можливістю з'єднання на вході з позитивним електродом джерела постійної або випростаної напруги, а на виході - з першими виводами відповідно обмоток вмикання і вимикання бістабільного електромагніта. При цьому в приводі комутаційного апарата, до складу якого входить даний пристрій, бістабільний електромагніт і зв'язаний з ним виконавчий механізм, другі виводи згаданих обмоток бістабільного електромагніта зустрічно з'єднані між собою і виконані з можливістю з'єднання з негативним електродом джерела постійної або випростаної напруги. Для виконання операцій вмикання або вимикання комутаційного апарата по зовнішній команді релейно-контактні елементи відповідного кола замикаються, з'єднуючи перший вивід обмотки вмикання або вимикання бістабільного електромагніта з джерелом постійної або випростаної напруги. При подачі струму на відповідну обмотку в магнітному колі бістабільного електромагніта виникає сила тяжіння якоря, що перевищує по значенню і протилежна за напрямом силам, які утримують його в стабільному положенні. В результаті дії зазначеної сили якір переміщується в протилежне стабільне положення. Після завершення переміщення якоря по команді датчика положення, розташованого в приводі комутаційного апарата, релейно-контактні елементи відповідного кола розмикаються, відключаючи перший вивід відповідної обмотки бістабільного електромагніта від джерела постійної або випростаної напруги, і операція вмикання або вимикання завершується. Відомий пристрій виконаний з можливістю поперемінного підключення обмоток при виконанні операцій вмикання і вимикання комутаційного апарата. Недоліками відомої системи керування бістабільним електромагнітом комутаційного апарата є: - виконання з можливістю поперемінного підключення обмоток бістабільного електромагніта при виконанні операцій вмикання і вимикання комутаційного апарата, що спричиняє необхідність в подачі на них відносно великого струму для створення тягової сили, достатньої для переміщення якоря з одного стабільного положення в інше; - порівняно велика тривалість наростання магнітного потоку, необхідного для створення в бістабільному електромагніті тягових сил, достатніх для початку руху, що знижує його швидкодію при виконанні операцій вмикання і вимикання комутаційного апарата; - великі габаритні розміри і маса релейно-контактних елементів, що приводить до збільшення масогабаритних характеристик пристрою і комутаційного апарата в цілому; - підвищений знос контактних елементів в процесі поперемінної комутації великих струмів в обмотках бістабільного електромагніта при виконанні швидкодійних циклів операцій вмикання і вимикання комутаційного апарата, що істотно знижує ресурс пристрою при експлуатації. Відомий пристрій для керування бістабільним електромагнітом комутаційного апарата (див. сайт http://www.abb.ua/product/db0003db004279/c125739900636470c1256e 59004c3b1a.aspx?productLanguage=us&country=UA. Проспект. - Product presentation. VM1: innovation in power technology. Vacuum circuit-breaker with magnetic actuator. - ABB Power and productivity for a better world. - 26 с. - С. 7), що містить перетворювач напруги, конденсатор, мікроконтролер, транзистор, перший і другий тиристори, діод і резистор. Вхідні електроди перетворювача напруги виконані з можливістю з'єднання з однойменними електродами джерела постійної або випростаної напруги, конденсатор з'єднаний паралельно з виходом перетворювача напруги, три виводи порту мікроконтролера з'єднано з керуючими електродами згаданих тиристорів і затвором транзистора, емітер і колектор транзистора з'єднані відповідно з негативним електродом конденсатора і з першим виводом резистора. Згаданий вивід резистора паралельно з'єднаний також з катодами тиристорів, а другий вивід резистора з'єднаний з анодом діода. На виході пристрою аноди тиристорів виконані з можливістю послідовного з'єднання з першими виводами відповідних обмоток вмикання і вимикання бістабільного електромагніта, а катод діода і позитивний електрод конденсатора - з можливістю з'єднання з другими їх виводами. При цьому в приводі комутаційного апарата, до складу якого входять даний пристрій, бістабільний електромагніт і зв'язаний з ним виконавчий механізм, другі виводи обмоток вмикання і вимикання бістабільного електромагніта зустрічно з'єднані між собою. Для 1 UA 73342 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виконання операції вмикання комутаційного апарата по зовнішній команді мікроконтролер подає на затвор транзистора і керуючого електрода першого тиристора керуючі сигнали, згадані прилади відкриваються, з'єднуючи перший вивід обмотки вмикання бістабільного електромагніта з позитивним електродом конденсатора. При цьому в обмотці вмикання починає текти струм і, після досягнення ним певного значення, в магнітному колі бістабільного електромагніта виникає сила тяжіння якоря, що перевищує по значенню і протилежна за напрямом силам, що утримують його в стабільному положенні. В результаті дії зазначеної сили якір переміщається в протилежне стабільне положення. Після завершення переміщення якоря по команді датчика положення, розташованого в приводі комутаційного апарата, подача керуючих сигналів від мікроконтролера на транзистор і тиристор припиняється, внаслідок чого транзистор закривається практично миттєво, а тиристор залишається у відкритому стані до моменту зниження в ньому струму до значення, меншого за рівень струму утримання. При цьому відкривається діод і струм в обмотці вмикання бістабільного електромагніта починає спадати по кривій, близькій до експоненціальної. У момент закриття першого тиристора одночасно з ним закривається діод, після чого пристрій готовий до виконання наступної операції вимикання комутаційного апарата. Операція вимикання комутаційного апарата виконується аналогічно з операцією вмикання, але за допомогою підключення до позитивного електрода конденсатора обмотки вимикання. Заміна електромеханічної системи керування на мікропроцесорну дозволила знизити масогабаритні показники пристрою і підвищити його ресурс при експлуатації. Недоліками відомого пристрою для керування бістабільним електромагнітом комутаційного апарата є: - виконання з можливістю поперемінного підключення обмоток бістабільного електромагніта при виконанні операцій вмикання і вимикання комутаційного апарата, що спричиняє необхідність в подачі на них великого струму для створення тягової сили, достатньої для переміщення якоря з одного стабільного положення в інше; - порівняно велика тривалість наростання магнітного потоку, необхідного для створення в бістабільному електромагніті тягових сил, достатніх для початку руху, що знижує його швидкодію при виконанні операцій вмикання і вимикання комутаційного апарата; - наявність «технічних пауз» при виконанні циклів операцій вмикання-вимикання, обумовлене необхідністю очікування зниження струму у відповідних обмотках нижче рівня, достатнього для закриття включених в їх кола тиристорів, що також знижує швидкодію бістабільного електромагніта при виконанні операцій вимикання комутаційного апарата при коротких замиканнях. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення пристрою для керування бістабільним електромагнітом комутаційного апарата, в якому за рахунок його іншого конструктивного виконання та іншого взаємозв'язку його елементів з обмотками бістабільного електромагніта забезпечується істотне підвищення тягової сили бістабільного електромагніта при меншому значенні струму в його обмотках і відповідно швидкодії приводу при виконанні операцій вмикання і вимикання. Вказаний технічний результат досягається при одночасному зниженні вартості привідної системи комутаційного апарата. Поставлена задача вирішується тим, що в пристрої для керування бістабільним електромагнітом комутаційного апарата, що містить перетворювач напруги, конденсатор, мікроконтролер, транзистор, перший і другий тиристори, діод і резистор, при цьому вхідні електроди перетворювача напруги виконані з можливістю з'єднання з однойменними електродами джерела постійної або випростаної напруги, конденсатор з'єднаний паралельно з виходом перетворювача напруги, три виводи порту мікроконтролера з'єднані з керуючими електродами згаданих тиристорів і затвором транзистора, емітер і колектор транзистора з'єднані відповідно з негативним електродом конденсатора і з першим виводом резистора, згідно з корисною моделлю, він містить другий транзистор, другий діод і другий резистор, четвертий вивід порту мікроконтролера з'єднаний із затвором другого транзистора, анод першого тиристора з'єднаний з катодами першого і другого діодів, а його катод з'єднаний з першим виводом другого резистора, другий вивід якого з'єднаний з колектором другого транзистора, анод другого тиристора з'єднаний з анодом першого діода, з'єднаного з позитивним вхідним електродом перетворювача напруги, анод другого діода з'єднаний з позитивним електродом конденсатора, катод другого тиристора з'єднаний з другим виводом першого резистора, а емітер другого транзистора з'єднаний з негативним електродом конденсатора, при цьому перші виводи першого і другого резисторів виконані з можливістю з'єднання з обмоткою вимикання бістабільного електромагніта, а другі виводи згаданих резисторів виконані з можливістю з'єднання з обмоткою вмикання бістабільного електромагніта. 2 UA 73342 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Заропонована схема виконання пристрою дозволяє виконувати операції вмикання і вимикання комутаційного апарата за допомогою подачі відмінних за значеннями та напрямами струмів одночасно на обмотки вмикання і вимикання бістабільного електромагніта. Одночасне використання двох обмоток створює в магнітній системі бістабільного електромагніта інші сумарні магнітні поля при меншому струмі, що істотно підвищують тягові сили, які впливають на рухому частину магнітопровода при переході з одного стабільного положення в інше, і відповідно скорочує тривалість процесу подолання сил, які утримують її в стабільних положеннях. Окрім цього, швидкодія бістабільного електромагніта підвищується за рахунок усунення «технічних пауз» при виконанні циклів операцій вмикання-вимикання, оскільки закриття тиристорів в колах обмоток відбувається одразу ж після закриття відповідних транзисторів. Запропонована схема виконання пристрою дозволяє подавати в обмотки котушок струми певних значень, які можуть вибиратися з урахуванням, наприклад, конструктивного виконання та призначення комутаційного апарата. Зменшення струму в обмотках бістабільного електромагніта при виконанні операцій вмикання і вимикання комутаційного апарата дозволяє, у свою чергу, використовувати інші джерела постійної або випростаної напруги, наприклад конденсатори з меншою ємністю або оперативні джерела живлення меншої потужності. Це дозволяє одночасно з досягненням вищезгаданого технічного результату зменшити й вартість пристрою комутаційного апарата в цілому. Суть корисної моделі, що заявляється, пояснюється кресленням, на якому представлена принципова схема пристрою для керування бістабільним електромагнітом комутаційного апарата. Пристрій містить перетворювач напруги 1, конденсатор 2, мікроконтролер 3, перший 4 і другий 5 транзистори, перший 6 і другий 7 тиристори, перший 8 і другий 9 резистори і перший 10 і другий 11 діоди. Вхідні електроди перетворювача напруги 1 виконані з можливістю з'єднання з однойменними електродами джерела постійної або випростаної напруги 12. Конденсатор 2 з'єднаний паралельно з виходом перетворювача напруги 1. Чотири виводи порту мікроконтролера 3 з'єднані з керуючими електродами першого 6, другого 7 тиристорів і затворами першого 4 і другого 5 транзисторів. Емітери і колектори першого 4 і другого 5 транзисторів з'єднано відповідно з негативним електродом конденсатора 2 і з першим виводом першого 8 резистора і другим виводом другого 9 резистора. Другий вивід першого 8 резистора і перший вивід другого 9 резистора з'єднані відповідно з катодами другого 7 і першого 6 тиристорів. Анод першого 6 тиристора з'єднаний з катодами першого 10 і другого 11 діодів, а анод другого 7 тиристора з'єднаний з анодом першого 10 діода. Анод другого 11 діода з'єднаний з позитивним електродом конденсатора 2, а анод першого 10 діода з'єднаний з позитивним вхідним електродом перетворювача напруги 12. Перші виводи першого 8 і другого 9 резисторів виконано з можливістю з'єднання з обмоткою вимикання 13 бістабільного електромагніта, а їх другі виводи виконані з можливістю з'єднання з обмоткою вмикання 14 бістабільного електромагніта. Корисна модель може бути реалізована в приводах комутаційних апаратів, обладнаних бістабільними електромагнітами різного конструктивного виконання, зокрема з виконанням магнітної системи з одним, двома або декількома повітряними зазорами; з виконанням нерухомої частини магнітопроводу у формі паралелепіпеда або циліндра, або в іншій геометричній формі; з виконанням рухомої частини у вигляді якоря з магнітом'якого матеріалу або у вигляді штока з немагнітного матеріалу із закріпленими на ньому одним чи двома якорями; з виконанням рухомої частини магнітопроводу з можливістю зворотно-поступального переміщення щодо нерухомої частини магнітопроводу або з можливістю зворотно-обертального переміщення на заданий кут відносно неї; з виконанням постійних магнітів цільними або складеними у вигляді набору з окремих елементів; з виконанням постійних магнітів у формі паралелепіпедів або призм, або в іншій геометричній формі; з виконанням обмоток на роздільних котушках з обмотками або з виконанням їх на каркасі однієї котушки. Робота пристрою здійснюється наступним чином. В вихідному положенні, після приєднання пристрою керування до джерела постійної або випростаної напруги 12, перший 4 і другий 5 транзистори є закритими, перший 6 і другий 7 тиристори, перший 10 і другий 11 діоди також закриті, обмотки вимикання 13 і вмикання 14 бістабільного електромагніта знеструмлені, а перетворювач напруги 1 забезпечує зарядження конденсатора 2 до напруги, що перевершує значення напруги в джерелі постійної або випростаної напруги 12, яке надалі не залежить від напруги в зазначеному джерелі. Після того, як напруга на конденсаторі 2 досягне заданого рівня, пристрій керування готовий до виконання операцій вмикання і вимикання комутаційного апарата. 3 UA 73342 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Операція вмикання комутаційного апарата виконується за зовнішньою командою, що надходить на мiкроконтролер 3. При цьому, якщо напруга в джерелі постійної або випростаної напруги 12 у цей момент виявляється достатньою для виконання операції вмикання, то мiкроконтролер видає відповідні керуючі сигнали на другий 5 транзистор і другий 7 тиристор, після чого згадані прилади відкриваються, з'єднуючі виводи обмотки вмикання 14 бістабільного електромагніта з джерелом постійної або випростаної напруги 12, і по обмотці вмикання 14 починає текти струм. Одночасно струм, обмежений опором першого 8 і другого 9 резисторів, починає текти в обмотці вимикання 13. Протікання струму в обмотках вмикання 14 і вимикання 13 відбувається в зустрічних напрямах, що створює в магнітній системі бістабільного електромагніта протилежні за напрямом та різні за інтенсивністю магнітні потоки і відповідні їм тягові сили тяжіння якоря до нерухомої частини магнітопровода, забезпечуючи переміщення якоря з первинного стабільного положення, в якому він знаходився при вимкненому стані комутаційного апарата, в протилежне стабільне положення, відповідне його увімкненому стану. Після завершення руху рухомої частини бістабільного електромагніта по команді датчика положення (на схемі не показаний) подача керуючих сигналів від мікроконтролера 3 на другий 5 транзистор і другий 7 тиристор припиняється, внаслідок чого обидва ці прилади практично миттєво закриваються. Проте, внаслідок того, що перший 8 і другий 9 резистори створюють з обмотками вимикання 13 і вмикання 14 замкнений контур, струм в цьому колі не переривається і стає однаковим в обмотках, а з часом зменшується, згідно із законом, близьким до експоненціального, причому напрям струму в обмотці вмикання 14 залишається тим самим, а в обмотці вимикання 13 міняється на протилежний. Конденсатор 2 не бере участь у виконанні операції вмикання і залишається в зарядженому стані. У зв'язку з тим, що після припинення надходження керуючих сигналів від мікроконтролера 3 другий 5 транзистор і другий 7 тиристор відразу ж закрилися, пристрій керування практично миттєво готовий до виконання наступної операції - вимикання комутаційного апарата. Операція вимикання виконується за зовнішньою командою, що надходить на мікроконтролер 3, який, незалежно від значення напруги в джерелі постійної або випростаної напруги 12, видає сигнали керування на перший 4 транзистор і перший 6 тиристор, після чого згадані прилади відкриваються. Оскільки напруга на конденсаторі 2 перевершує напругу в джерелі постійної або випростаної напруги 12, то другий 11 діод відкривається, а перший 10 діод закривається, внаслідок чого виводи обмотки вимикання 13 бістабільного електромагніта приєднуються до конденсатора 2 і по згаданій обмотці починає текти струм. Одночасно струм, обмежений опором першого 8 і другого 9 резисторів, почне текти і в обмотці вмикання 14. Протікання струму в обмотках вимикання 13 і вмикання 14 відбувається у зустрічних напрямах, що створює в магнітній системі бістабільного електромагніта протилежні по напряму і різні за інтенсивністю магнітні потоки і відповідні їм сили тяжіння якоря до нерухомої частини магнітопроводу, забезпечуючи переміщення якоря з первинного стабільного положення, в якому він знаходився при увімкненому стані комутаційного апарата, в протилежне стабільне положення, відповідного його вимкненому стану. Конденсатор 2 при цьому розряджається, але тільки до значення напруги в джерелі постійної або випростаної напруги 12, після чого другий 11 діод закривається, а перший 10 діод відкривається і живлення обмоток забезпечується вже від джерела постійної або випростаної напруги 12. Після завершення руху рухомої частини бістабільного електромагніта по команді датчика положення (на схемі не показаний) подача сигналів керування від мікроконтролера 3 на перший 4 транзистор і перший 6 тиристор припиняється, внаслідок чого ці прилади практично миттєво закриваються. Проте, внаслідок того, що перший 8 і другий 9 резистори створюють з обмотками вимикання 13 і вмикання 14 замкнений контур, струм в цьому колі не переривається, а стає однаковим в обох згаданих обмотках і з часом зменшується згідно із законом, близьким до експоненціального, причому напрям струму в обмотці вимикання 13 залишається колишнім, а в обмотці вмикання 14 міняється на протилежний. У зв'язку з тим, що після припинення надходження сигналів керування від мікроконтролера 3 перший 4 транзистор і перший 6 тиристор одразу ж закрилися, пристрій керування практично миттєво стає готовим до виконання наступної операції - операції вмикання комутаційного апарата. Результати експериментальних досліджень комутаційного апарата з використанням даної корисної моделі підтвердили його працездатність і отримання заданого технічного результату. Використання в операціях вмикання-вимикання одночасно двох обмоток дозволяє створювати актуатори, які при спрацьовуванні мають істотно більші значення тягової сили при меншому значенні струму в обмотках і, за рахунок цього, підвищувати швидкодію комутаційного апарата. Відсутність часової затримки в готовності пристрою до виконання кожної подальшої операції створює для нього істотну додаткову перевагу в порівнянні з відомими пристроями. 4 UA 73342 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 20 Пристрій для керування бістабільним електромагнітом комутаційного апарата, що містить перетворювач напруги, конденсатор, мікроконтролер, транзистор, перший і другий тиристори, діод і резистор, при цьому вхідні електроди перетворювача напруги виконані з можливістю з'єднання з однойменними електродами джерела постійної або випростаної напруги, конденсатор з'єднаний паралельно з виходом перетворювача напруги, три виводи порту мікроконтролера з'єднані з керуючими електродами згаданих тиристорів і затвором транзистора, емітер і колектор транзистора з'єднані відповідно з негативним електродом конденсатора і з першим виводом резистора, який відрізняється тим, що він містить другий транзистор, другий діод і другий резистор, четвертий вивід порту мікроконтролера з'єднаний із затвором другого транзистора, анод першого тиристора з'єднаний з катодами першого і другого діодів, а його катод з'єднаний з першим виводом другого резистора, другий вивід якого з'єднаний з колектором другого транзистора, анод другого тиристора з'єднаний з анодом першого діода, з'єднаного з позитивним вхідним електродом перетворювача напруги, анод другого діода з'єднаний з позитивним електродом конденсатора, катод другого тиристора з'єднаний з другим виводом першого резистора, а емітер другого транзистора з'єднаний з негативним електродом конденсатора, при цьому перші виводи першого і другого резисторів виконані з можливістю з'єднання з обмоткою вимикання бістабільного електромагніта, а другі виводи згаданих резисторів виконані з можливістю з'єднання з обмоткою вмикання бістабільного електромагніта. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5