Жидкометаллическое коммутационное устройство

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты электрических цепей от перегрузки по току. Цель изобретения повышение надежности коммутационного аппарата и расширение эксплуатационных возможностей. Жидкометаллическое коммутационное устройство состоит из включенного в цепь генератора постоянного напряжения, жидкометаллического контакта и нагрузки, цепи управления, состоящей из двух компараторов, элементов 2И и 2ИЛИ, RS-триггера, двух усилителей-преобразователей, двух кнопок, источника питания логики, двух стабилитронов и одиннадцати резисторов. Два входа цепи управления подключены к электродам жидкометаллического коммутационного аппарата, а два выхода к электромагнитам включения и отключения. При коротком замыкании в нагрузке происходит разрыв жидкометаллического контакта. Сигнал с выхода компараторов проходит по цепям элементов 2И и 2ИЛИ и попадает на C-вход RS-триггера. С выхода RS-триггера сигнал усиливается и подается на электромагнит отключения жидкометаллического контакта. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам защиты электрических цепей, и может быть использовано для защиты электрических цепей от перегрузки по току. Цель изобретения повышение надежности коммутационного аппарата и расширение его эксплуатационных возможностей. На чертеже представлена электрическая схема жидкометаллического коммутационного устройства. Жидкометаллический коммутационный аппарат 1 включен последовательно с генератором 2 постоянного напряжения и нагрузкой 3 в электрическую цепь. Первый электрод аппарата 1, подключенный к положительному полюсу генератора 2, подсоединен к одному из выводов первого резистора 4, второй вывод которого подключен к катоду первого стабилизатора 5, к одному из выводов второго резистора 6 и к прямому входу первого компаратора 7, инверсный вход которого подключен к одному из выводов третьего резистора 8 и одному из выводов четвертого резистора 9. Выход компаратора 7 подключен к одному из входов элемента 2И 10. Второй электрод коммутационного аппарата 1 подключен к одному из выводов пятого резистора 11, выход которого подключен к катоду второго стабилизатора 12, одному из выводов шестого резистора 13 и инверсному входу второго компаратора 14, прямой вход которого подключен к одному из выводов седьмого резистора 15 и одному из выводов восьмого резистора 16, а выход к второму входу элемента 2И 10, выход которого подключен к одному из входов элемента 2ИЛИ 17. Второй вход последнего подключен к одному из выводов девятого резистора 18 и одному из полюсов кнопки "ОТКЛ" 19 с нормально разомкнутыми контактами. Выход элемента 2ИЛИ 17 подключен к С-входу RS-триггера 20, D-вход которого подключен к одному из выводов десятого резистора 21, а R-вход к одному из выводов одиннадцатого резистора 22 и одному из полюсов кнопки "ВКЛ" 23 с нормально разомкнутыми контактами. Прямой выход RS-триггера подключен к входу первого усилителя-преобразователя 24, а инверсный выход к входу второго усилителя-преобразователя 25. Выход усилителя-преобразователя 24 подключен к одному из выводов электромагнита 26 отключения коммутационного аппарата 1, а выход усилителя-преобразователя 25 к одному из выводов электромагнита 27 включения коммутационного аппарата 1. Вторые выводы стабилитронов 5, 12, резисторы 6, 9, 13, 16, 18, 22 и электромагнитов 26, 27 подключены к отрицательному полюсу источника 28 питания логики и отрицательному полюсу генератора 2, вторые выводы резисторов 8, 15, 21 и вторые полюса кнопок 23 и 19 подключены к положительному полюсу источника 28 питания. Особенностью работы жидкометаллического коммутационного аппарата является то, что при перегрузке по току металл в зазоре запорного устройства вскипает, образуя газовую пробу, и разрывает электрическую цепь. При больших перегрузках (токи к.з.) сплошность металла в зазоре запорного устройства аппарата нарушается за счет электромагнитных сил (пинч-эффект). При небольших токовых перегрузках металл прогревается за счет тепловыделения, и цепь разрывается за счет вскипания металла. В первом случае цепь может разрываться без дуги, во втором же случае электромагнитные силы незначительны, и возникает дуга. На этих явлениях и построен принцип работы автоматического жидкометаллического коммутационного устройства. Устройство работает следующим образом. Когда жидкометаллический коммутационный аппарат 1 включен, оба его электрода находятся под одним и тем же потенциалом. Делители напряжения на резисторах 4, 6 и 8, 9 выбраны так, что напряжение на прямом входе коммутатора 7 выше, чем на инверсном. На выходе компаратора 7 и, следовательно, на одном из входов элемента 2И 10 появляется напряжение логической "1". Делители напряжения на резисторах 11, 13 и 15, 16 выбраны так, что напряжение на инверсном входе компаратора 14 выше, чем на прямом входе. На выходе компаратора 14 и, следовательно, на втором входе элемента 2И 10 присутствует напряжение логического "0". На выходе элемента 10 и, следовательно, на одном из входов элемента 2ИЛИ 17 присутствует напряжение логического "0". На втором входе элемента 17 вследствие того, что контакты кнопки 19 разомкнуты, присутствует напряжение логического "0". Поэтому на выходе элемента 17 и, следовательно, на С-входе RS-триггера 20 присутствует напряжение логического "0". Поскольку коммутатор включен, на прямом выходе триггера 20 присутствует напряжение логического "0", а на инверсном выходе напряжение логической "1", которое через усилитель-преобразователь 25 посредством электромагнита 27 удерживает коммутатор во включенном положении. Делители напряжения на резисторах 4, 6 и 8, 9 выбраны так, что компаратор 7 меняет свое состояние на выходе при снижении напряжения на 20% от номинального. Делители напряжения на резисторах 11, 13 и 15, 16 выбраны так, что компаратор 14 меняет свое состояние при снижении напряжения на 30% от номинального. При исчезновении напряжения в цепи по приципу неисправности в генераторе 2 на выходе компаратора 7 появляется напряжение логического "0", которое блокирует элемент 2И 10, т.е. независимо от того, что имеется на втором входе этого элемента, на его выходе присутствует напряжение логического "0". Коммутатор остается во включенном положении. Если напряжение более чем на 20 ниже номинального на полюсах генератора 2 постоянного напряжения по вине короткого замыкания в нагрузке 3, в первый момент времени на выходе компаратора 7 появляется напряжение логического "0". Ток короткого замыкания вызывает разрыв сплошности металла, а следовательно, разрыв цепи, после чего напряжение на электроде коммутационного аппарата 1, подключенного к генератору, поднимается к номинальному, а на втором электроде падает к нулю. На прямом входе компаратора 7 напряжение становится выше напряжения на его инверсном входе, поэтому на выходе коммутатора 7 и, следовательно, на одном из входов элемента 2И 10 появляется напряжение логической "1". На инверсном входе компаратора 14 напряжение становится равным нулю, т. е. ниже, чем на прямом входе. Поэтому на выходе компаратора 14 и, следовательно, на втором входе элемента 2И 10 появляется напряжение логической "1". На выходе элемента 2И 10 происходит перепад напряжения с логического "0" в "1". То же происходит и на выходе элемента 2ИЛИ 17. По этому перепаду напряжения RS-триггер 20 переходит в состояние с напряжением логической "1" на прямом выходе и с напряжением логического "0" на инверсном. Напряжение логической "1" через усилитель-преобразователь 24 воздействует на электромагнит 26, и коммутационный аппарат 1 отключается, не давая жидкому металлу возможности восстановить сплошность в зазоре запорного устройства. При длительном протекании через жидкометаллический коммутационный аппарат тока, превышающего нормальное значение, металл в зазоре запорного устройства вскипает, сплошность металла нарушается. При этом в зазоре возникает дуга. Напряжение на электроде коммутационного аппарата 1 со стороны нагрузки 3 снижается, так как сопротивление дуги намного превышает сопротивление металла в нормальном состоянии. Снижение напряжения на электроде со стороны нагрузки более чем на 30% от номинального приводит к тому, что напряжение на прямом входе выше напряжения на инверсном входе компаратора 14. Поэтому на выходе компаратора 14 и, следовательно на одном из входов элемента 2И 10, присутствует напряжение логической "1". Поскольку на первом электроде коммутационного аппарата 1 напряжение остается номинальным, на прямом входе компаратора 7 напряжение выше, чем на инверсном. Поэтому на выходе компаратора 7 и на входе элемента 2И 10 присутствует напряжение логической "1". На выходе элемента 2И 10 происходит перепад напряжения с логического "0" в логическую "1". Аналогичный перепад происходит на одном из входов элемента 2ИЛИ 17 и на его выходе, а на С-входе и на прямом выходе RS-триггера 20 появляется напряжение логической "1", которое через усилитель-преобразователь 24 воздействует на электромагнит 26 отключения. Коммутатор отключается. При ручном отключении коммутатора необходимо нажать и отпустить кнопку "ОТКЛ" 19. При этом на одном из входов элемента 2ИЛИ 17 появляется напряжение логической "1". На выходе элемента 17 происходит перепад напряжения с логического "0" в логическую "1", то же на -входе RS-триггера 20. На его прямом выходе появляется напряжение логической "1", а на инверсном напряжение логического "0". Напряжение логической "1" оказывается и на входе усилителя-преобразователя 24, на выходе которого появляется напряжение, которое и приводит в действие электромагнит 26 отключения. Коммутатор отключается. При ручном включении коммутатора необходимо нажать и отпустить кнопку "ВКЛ" 23. При этом на R-входе RS-троиггера 20 появляется напряжение логической "1". При этом независимо от того, какие напряжения присутствуют на С- и D-входах RS-триггера 20, на его прямом выходе появляется напряжение логического "0", а на инверсном напряжение логической "1". Напряжение логической "1" с инверсного выхода через усилитель-преобразователь 25 воздействует на электромагнит 27 включения. Коммутатор включается. Стабилитроны 5 и 12 предназначены для защиты от превышения напряжения на входах компараторов соответственно 7 и 14. Использование изобретения позволяет осуществить автоматическое отключение электрической цепи при таковых перегрузках (аварийных режимах), тем самым исключить длительное горение дуги в зазоре запорного устройства жидкометаллического коммутационного аппарата, т.е. повысить надежность его работы.

Формула изобретения

ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОЕ КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее два вывода, два электромагнита включения и отключения и жидкометаллический контакт, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и расширения эксплуатационных возможностей, в него дополнительно введены одиннадцать резисторов, два стабилитрона, два усилителя, два компаратора, RS-триггер, элемент 2И, элемент 2ИЛИ, кнопка "ВКЛ", кнопка "ОТКЛ", выводы для подключения генератора постоянного напряжения и выводы для подключения нагрузки, первый вывод коммутационного устройства подключен к первому выводу для подключения генератора и к одному из выводов первого резистора, второй вывод первого резистора подключен к катоду первого стабилитрона, одному из выводов второго резистора и прямому входу первого компаратора, инверсный вход первого компаратора подключен к одному из выводов третьего резистора и одному из выводов четвертого резистора, выход первого компаратора подключен к одному из входов элемента 2И, второй вывод коммутационного устройства подключен в одному из выводов пятого резистора и первому выводу для подключения нагрузки, выход пятого резистора подключен к катоду второго стабилитрона, одному из выводов шестого резистора и инверсному входу второго компаратора, прямой вход которого подключен к одному из выводов седьмого резистора и одному из выводов восьмого, выход второго компаратора подключен к второму входу элемента 2И, выход элемента 2И к одному из входов элемента 2ИЛИ, второй вход которого подключен к одному из выводов девятого резистора и одному из выводов кнопки "ОТКЛ", выход элемента 2ИЛИ подключен к С-входу RS-триггера, D-вход которого подключен к одному из выводов десятого резистора, а R-вход к одному из выводов одиннадцатого и к одному из выводов кнопки "ВКЛ", прямой выход RS-триггера подключен к входу первого усилителя-преобразователя, а инверсный выход к входу второго, выход первого усилителя-преобразователя подключен к одному из выводов электромагнита отключения, а выход второго к одному из выводов электромагнита включения, вторые выводы первого и второго стабилитронов, второго, четвертого, шестого, восьмого, девятого, одиннадцатого резисторов, вторые выводы электромагнитов включения и отключения и второй вывод для подключения нагрузки подключены к отрицательному полюсу источника питания и выводу для подключения отрицательного полюса генератора постоянного напряжения, вторые выводы третьего, седьмого, десятого резисторов и вторые выводы кнопок "ОТКЛ" и "ВКЛ" подключены к положительному полюсу источника питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1