Патент ссср 410477

 

О П И С А Н И Е 4I0477

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 28Х1.1971 (№ 1674108 24-7) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 05.1,1974, Бюллетень ¹ 1

Дата опубликования описания 28.V.1974

М. Кл. Н Olh 33i44

Государственный комитет

Совета Министров СССР па делам изобретений и открытий

УДК 621.316.56(088,8) Авторы изобретения

И, С. Таев и В. А. Головенкин

Московский ордена Ленина энергетический институт

Заявитель

БЕЗДУГОВОЕ КОНТАКТНОЕ

КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к области электроаппаратостроения и может применяться в коммутационных аппаратах переменного тока.

Известные бездуговые контактные коммутирующие устройства, содержащие силовые контактные и шунтирующий их синхронизирующий узел, включающий электромагнит и синхронизирующие контакты, из которых подвижный жестко связан с якорем электромагнита, сложны и не обеспечивают высокой надежности. В предлагаемом изобретении устраняется указанный недостаток благодаря тому, что якорь электромагнита выполнен из магнитострикционного материала. Кроме того, для увеличения начального зазора якорь выполнен в виде пластины из материала с положительной магнитострикцией с установленным в ее середине подвижным синхронизирующим контактом, оба конца которой жестко закреплены, а катушка электромагнита расположена на неподвижном Ш-образном магнитопроводе или параллельно пластине из материала с положительной магнитострикцией расположены две дополнительные пластины из материала с отрицательной магнитострикцией, и каждая из дополнительных пластин с одного конца жестко связана с одним из концов пластины с положительной магнитострикцией, а с другого конца жестко закреплена; оба синхронизирующих контакта выполнены подвижными.

На фиг. 1 изображена принципиальная конструктивная схема предложенного устройства: а) во включенном состоянии; б) в начале отключения; в) в процессе отключения; г) в отключенном состоянии: ва фиг. 2 — принципиальная конструктивная с: ема предложенного устройства с Ш-образной магнитной си10 стемой синхронизирующего электромагнита; на фиг. 3 — принципиальная конструктивная схема синхронизирующего электромагнита с дополнительными пластинами; на фиг. 4— конструктивная схема синхронизирующего уз15 ла с двумя подвижными синхронизирующими контактами.

Конструктивно устройство выполнено следующим образом.

С инхронизирующий узел представляет со20 бой электромагнит 1, якорь 2 которого выполнен из материала с большой положительной магнитострикцией. К якорю с одной стороны прикрепляется подвижный синхронизирующий контакт 3, а с другой стороны возвратная пружина 4. Катушка 5 одним концом соединена с подвижным синхронизирующим контактом

3, а другим с неподвижным силовым контактом 6. Неподвижный синхронизирующий контакт 7 соединен электрически с силовым

30 подвижным контактом 8, который поджимает410477

1О

3 ся контактной пружиной 9. С якорем 2 электромагнита жестко соединен шток 10 из неэлектропроводного материала, который проходит в отверстие 11, выполненное в неподвижном силовом контакте 6.

Таким образом, главные силовые контакты

6 и 8 шунтируются цепочкой, состоящей из последовательно соединенной катушки 5 электромагнита и синхронизирующих контактов

3 и 7.

Устройство с Ш-образной магнитной системой конструктивно выполнено следующим образом (фиг. 2). Синхронизирующий узел представляет собой электромагнит 12, якорь 13 которого выполнен в виде пластины из материала с положительной магнитострикцией. В середине пластины установлен подвижный синхронизирующий контакт 14, а пластина по краям жестко закреплена на возвратной пластинчатой пружине 15, Катушка 16 одним концом соединена с неподвижным синхронизирующим контактом 17, а другой конец имеет электрическую связь с подвижным силовым контактом 18, который поджимается контактной пружиной 19. На силовом подвижном контакте закреплен штырь 20 из неэлектропроводного материала. Неподвижный силовой контакт 17 имеет электрическую связь с подвижным синхронизирующим контактом 18.

Синхронизирующий электромагнит с дополнительными пластинами конструктивно выполнен следующим образом (фиг. 3) . Магнитопровод 21 имеет надетую на средний стержень катушку 22.

Якорь электромагнита выполнен в виде пластины 23 из материала с положительной магнитострикцией, в средней части которой закреплен подвижной синхронизирующий контакт 24. Параллельно пластине 23 расположены две дополнительные пластины 25 и 26 из материала с отрицательной магнитострикцией.

С одного конца пластины 25 и 26 жестко связаны с одним из концов пластины 23, а с другого конца жестко закреплены.

Синхронизирующий узел с двумя подвижными контактами конструктивно выполнен следующим образом (фиг. 4). Магнитопровод образует две пластины 27 и 28 из материала с положительной магнитострикцией. В средней части на внутренней стороне пластин укреплены подвижные синхронизирующие контакты 29 и 30. На каждую пластину с обеих сторон надеты секции катушки 31, которые включены встречно и не касаются пластин.

Пластины жестко закреплены по концам на инерционных телах 32 и 33, выполненных из ферромагнитного материала. Тела 32 и 33 удерживаются в исходном положении возвратными пружинами 34.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Во включенном состоянии весь ток цепи проходит через силовые контакты 6 и 8. В начальный момент отключения устройства де30

65 таль 12 под действием привода поворачивается по часовой стрелке, а главный подвижный контакт 8 за счет силы контактной пружины

9 вначале поворачивается вокруг оси 0 против часовой стрелки и оказывает давление через шток 10 и якорь 2 на подвижной синхронизирующий контакт 3, При этом синхронизирующие контакты 3 и 7 замыкаются.

Таким образом, в начале процесса отключения происходит увеличение переходного сопротивления силовых контактов 6 и 8 вплоть до бесконечности и замыкание шунтирующей цепочки синхронизирующего контура. В результате весь отключаемый ток переходит в шунтирующую цепь, а силовые контакты размыкаются без дуги.

Электромагнит развивает электромагнитную силу и, преодолевая усилие возвратной пружины 4, удерживает синхронизирующие контакты 3 и 7 в замкнутом положении.

Кроме того, под действием напряженности электромагнитного поля, создаваемого катушкой 5, якорь 2 за счет явления магнитострикции увеличивает свою длину на величину А1.

И хотя главный подвижной контакт перемещается, шунтирующая цепь остается замкнутой.

Однако при подходе тока к нулевому значению электромагнитная сила исчезает, и синхронизирующий контакт 3 под действием возвратной пружины 4 отбрасывается вправо.

Чтобы не было пробоя образующегося контактного промежутка в следующий после нуля полупериод, необходим опережающий рост электрической прочности его по сравнению с ростом восстанавливающегося напряжения на контактах. Скорость роста электрической прочности промежутка определяется ускорением подвижного синхронизирующего контакта. Закон изменения ускорения близок к закону параболы и в первый момент ускорение мало. Однако этого ускорения было достаточно в ранее известных устройствах с диодами.

Диод увеличивает бестоковую паузу до одного полупериода. За это время синхронизирующий контакт успевает даже при небольших ускорениях разойтись на необходимое изоляционное расстояние.

В предлагаемом решении диоды исключены.

Поэтому здесь имеется лишь небольшая бестоковая пауза в области перехода тока через нуль. Величина его определяется характером цепи. В малоиндуктивной цепи пауза тока больше, в сильноиндуктивной цепи меньше (порядка 10 — 4 сек) . Поэтому данное синхронизирующее устройство должно обеспечить образование необходимого контактного зазора на более короткое время. Это достигается выполнением якоря 2 из магнитострикционного материала.

Известно, что время изменения размеров магнитострикционного материала при исчезновении магнитного поля составляет

10- †: 10- сек, т. е. практически происходит мгновенно. Величина магнитострикции насы410477

60

5 щения у высококачественных сплавов (сплавы Fe — Со, Fe — Pt) приближается к

Х,,=100 10-, а у некоторых ферритов (кобальтовые ферриты) превосходит Х,=200 10 — .

При этом для изменения размеров магнитострикционного стержня на величину

Л1=0,01 мм требуется его длина 50 мм (Х,, = 200 10 — ) —: 100 мм (Х, = 100 10 — ) . Если якорь 2 выполнен из такого материала и основная часть полупериода находится в насыщении, то перед нулем тока магнитное поле исчезает, и якорь укорачивается на величину

Al. При этом при указанных выше размерах якоря образуется практически мгновенно контактный зазор величиной в И=0,01 мм. По закону Паше»а при атмосферном давлении зазор в 0,01 мм сможет выдержать папряже»и .. до 300 в. Таким образом, предложенное решение позволяет перед нулем тока получить практически мгновенно определенный контактный зазор, который назовем начальным, 3атем под действием возвратной пружины 4 этот контактный зазор увеличивается до необходимой изоляцио»»ой величины, определяемой существующими нормами для электрических аппаратов. TaI происходит иаде>кный разрыв цепи вблизи нуля тока в предлагаемом устройстве.

С целью увеличения начального контактного зазора можно использовать механическое усиление, возникающее при жестком закреплении по концам магнитострикционной пластины. Тогда в магнитном поле под действием магнитострикционных сил пластина вынуждена будет прогнуться. Причем прогиб пластины в ее середине ЛГ будет в несколько раз больше, чем само удлинение пластины Л1.

Сказанное можно легко осуществить в синхронизирующем электромагните с (или

Ш-образной магнитной системой (фиг. 2). Работа этого устройства аналогична работе устройства, изображенного на фиг. 1. Только здесь перед переходом тока через нуль создается больший начальный контактный зазор, так как используется не удлинение Л1 якоря

13, а его прогиб ЛГ под действием магнитострикционных сил. Дальнейшее увеличение контактного зазора до необходимой изоляционной величины происходит под действием возвратной пружины 15.

С целью дальнейшего увеличения начального контактного зазора якорь синхронизирующего электромагнита набирается из пластин, выполненных из материала с положительной и отрицателыюй магнитострикцией (фиг. 3). Работа устройства с таким синхронизирующим электромагнитом аналогична работе ранее описанных устройств. Только здесь при создании магнитного поля катушкой 22 пластины 25 и 26 с отрицательной магнитострикцией уменьшают свою длину, и точки а и b сближаются. Пластина 23 с положительной магнитострикцией должна увеличить свою длину. Поскольку концы этой пластины сблизились за счет пластин 25 и 26, 6 то прогиб ее будет значительно больше. Таким образом, данное синхронизирующее устройство при одной и той же длине якоря позволяет получать за счет магнитострикциоиных сил еще больший начальный зазор.

С целью дальнейшего увеличения начального зазора оба контакта в синхронизирующем узле можно выполнить подвижными (фиг. 4).

Синхронизирующий узел работает следующим образом.

При протекании отключаемого тока по встречно включенным секциям катушки 31 в пластинах 27 и 28 возникает встречно направленный магнитный поток Ф, который вы»у>кден замыкаться через воздушный зазор в средней части пластин и ферромагнитные тсла 32 и 33. В результате возникает электромагнитная сила, которая притягивает пластины 23 и 28 друг к другу и удерживают си»хронизирующие контакты 29 и 30 в зямк»утом положении. Инерционность тела 32» 33

»е дает концам пластин 27 и 28 перемещаться при быстром изменении магнитного поля. Поэтому пластины при возникновении магнитного поля под действием магнитострикцио»ных сил дополнительно прогнутся. А при спаде магнитного поля и электромагнитной силы вблизи нуля тока образу.от практически мгновенно начальный контактный зазор величиной в 2%i. Затем силы упругости пластин 27 и 28 возвратных пружин 34 разводят контакты на необходимое изоляционное расстояние.

Работа в целом коммутирующего устройства с данным синхронизирующим узлом аналогична работе ранее рассмотренных устройств.

На повышенное напряжение можно примецить устройство с синхронизирующим узлом, в котором с якорем электромагнита жестко связаны два и более си»хронизирующих контактов. При последовательном соединении их и при условии равномерного распределения напряжения на них результирующее пробивное напряжение будет равно сумме пробивных напряжений единичных контактных промежутков. Таким обр азом применение высококачественных магнитострикционных сплавов и ферритов, а также все предложенные способы увеличения начального контактного зазора позволяют получить большую начальную скорость расхождения синхронизирующих контактов. В целом коммутирующее устройство обеспечивает надежный бездуговой разрыв коммутируемой цепи.

Предмет изобрсте»ия

1. Бездуговое контактное коммутирующее устройство, содержащее контакты и шунтирующий их синхронизирующий узел, включающий электромагнит и синхронизирующие контакты, из которых подвижный жестко свя410477

3/11bУ зан с якорем электромагнита, отл ич а ю щ е е с я тем, что, с целью упрощения устройства и повышения надежности, якорь электромагнита выполнен из магнитострикционного материала.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью увеличения начального зазора, якорь выполнен в виде пластины из материала с положительной магнитострикцией с установленным в ее середине подвижным синхронизирующим контактом, оба конца которой жестко закреплены, а катушка электромагнита расположена на неподвижном, преимущественно Ш-образном магнитопроводе.

3. Устройство по п. 2, .отличающееся тем, что, с целью увеличения начального зазора параллельно пластине из материала с положительной магнитострикцией, расположены две дополнительные пластины из материала с отрицательной магнитострикцией, и каждая из дополнительных пластин с одного конца жестко связана с одним из концов пластины с положительной магнитострикцией, а

10 с другого конца жестко закреплена.

4. Устройство по пп. 1 и2,отл и ч а ю щее с я тем, что, с целью увеличения начального зазора, оба синхронизирующих контакта выполнены подвижными.