BR102012015686B1

BR102012015686B1 - método de controlar um comutador elétrico, e, comutador elétrico

Info

Publication number: BR102012015686B1
Application number: BR102012015686-5A
Authority: BR
Inventors: Alexey Chaly; Vladimir Ledyaev
Original assignee: Tavrida Electric Holding Ag
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2020-10-27
Also published as: US20120327549A1; PL2538429T3; AU2012203663A1; EP2538429B1; AU2012203663B2; ES2762245T3; US9837229B2; EA201200788A3; EA201200788A2; UA112741C2; CN102856092A; BR102012015686A2; ZA201204655B; EA026040B1; EP2538429A1; CN102856092B

Abstract

MÉTODO DE CONTROLAR UM COMUTADOR ELÉTRICO, E, COMUTADOR ELÉTRICO Um método de controlar um disjuntor que tem um contato móvel e um atuador para movimentar o contato móvel entre uma posição aberta e uma posição fechada. Com o contato móvel na posição aberta, uma voltagem é aplicada ao autuador para fazer com que o contato móvel mova o sentido da posição fechada. A voltagem é aplicada por um período de tempo limitado, que termina antes que contato móvel alcance a posição fechada. Ao final do período de tempo limitado, a voltagem é ajustada para reduzir a aceleração exercida sobre o contato. A voltagem é, em seguida, aumentada até antes, depois, ou substancialmente ao mesmo tempo em que o contato alcança sua posição fechada.

Description

Campo da invenção

[001] A presente invenção é relativa à operação de comutadores elétricos, especialmente disjuntores.

Fundamento da invenção

[002] Disjuntores, inclusive religadores (reclosers), tipicamente compreendem um atuador eletromagnético para mover um contato elétrico entre estados aberto e fechado. Fechar o atuador envolve usualmente energizar uma ou mais bobinas eletromagnéticas para mover o contato contra uma tendência mecânica (deslocamento), tal como uma mola. Para preservar a vida mecânica do disjuntor, a velocidade na qual o contato move deveria ser restringida. Isto afeta de maneira adversa o rendimento do atuador, resultando em peso, dimensão, e consumo de energia aumentados para o disjuntor.

[003] Seria desejável fornecer um método melhorado para controlar a operação de disjuntores que mitigue o problema delineado acima.

Sumário da invenção

[004] Um primeiro aspecto da invenção fornece um método de controlar um comutador elétrico, o comutador elétrico compreendendo um contato móvel e um atuador eletromagnético para fazer com que dito contato móvel mova entre uma posição aberta e uma posição fechada, dito método compreendendo: com dito contato móvel em dita operação aberta, aplicar uma tensão a dito atuador para fazer com que uma força motriz seja aplicada a dito contato móvel, para fazer com que dito contato móvel mova no sentido de dita posição fechada, na qual dita tensão é aplicada por um primeiro período de tempo que termina antes que dito contato móvel alcance dita posição fechada e ao final de dito primeiro período de tempo ajustar dita tensão para reduzir dita força motriz.

[005] Em modalidades típicas, dito método ainda inclui, depois que dita tensão é ajustada para reduzir dita força motriz, ajustar ainda mais dita tensão para aumentar dita força motriz. Dito outro ajustamento de dita tensão é preferivelmente realizado antes que dito contato móvel alcance dita posição fechada, especialmente imediatamente antes que dito contato móvel alcance dita posição fechada. Em particular, é preferido que dito outro ajustamento de dita tensão seja realizado suficientemente próximo ao momento quando dito contato móvel alcança dita posição fechada que dita outra tensão de ajustamento não afete de maneira apreciável a velocidade de dito contato móvel. Por exemplo, dito outro ajustamento de dita tensão pode ser realizado até 2 ms, preferivelmente até 1 ms, e mais preferivelmente até 0,5 ms, antes que dito contato móvel alcance dita posição fechada. Dito outro ajustamento de dita tensão pode ser realizado substancialmente ao mesmo tempo quando dito contato móvel alcança dita posição fechada.

[006] Opcionalmente, dito ajustamento de dita tensão para reduzir dita força motriz envolve reduzir dita tensão para um nível diferente de zero. Dito ajustamento de dita tensão para reduzir dita força motriz pode envolver reduzir dita tensão por pelo menos aproximadamente 50% para um nível diferente de zero.

[007] Alternativamente, dito ajustamento de dita tensão para reduzir dita força motriz envolve reduzir dita tensão para zero.

[008] Alternativamente ainda, dito ajustamento de dita tensão para reduzir dita força motriz envolve inverter a polaridade de dita tensão.

[009] Alternativamente, dito ajustamento de dita tensão para reduzir dita força motriz envolve modular dita tensão. Dito ajustamento de dita tensão para reduzir dita força motriz pode envolver modular dita tensão em largura de pulso. Dita modulação em largura de pulso pode ser arranjada para fazer com que zero Volt seja aplicado a dito atuador entre pulsos.

[0010] Em modalidades típicas, dito comutador inclui um circuito de controle, dito circuito de controle incluindo pelo menos um capacitor para armazenar dita tensão, e no qual dita aplicação de uma tensão a dito atuador para fazer com que uma força motriz seja aplicada a dito contato móvel envolve aplicar dita tensão a partir de dito pelo menos um capacitor a dito atuador. Ajustar dita tensão para reduzir dita força motriz pode, portanto, envolver ajustar dita tensão aplicada a partir de dito pelo menos um capacitor a dito atuador.

[0011] Em modalidades preferidas, dito atuador compreende pelo menos uma bobina eletromagnética e no qual dita aplicação de uma tensão a dito atuador para fazer com que uma força motriz seja aplicada a dito contato móvel envolve aplicar dita tensão à dita pelo menos uma bobina. Tipicamente, ajustar dita tensão para reduzir dita força motriz envolve ajustar dita tensão aplicada à dita pelo menos uma bobina.

[0012] A partir de um segundo aspecto, a invenção fornece um comutador elétrico que compreende um contato móvel e um atuador eletromagnético para fazer com que dito contato móvel mova entre uma posição aberta e uma posição fechada, dito comutadora ainda compreendendo uma fonte de tensão, um controlador para aplicar tensão de maneira seletiva a partir de dita fonte de tensão para dito atuador, no qual dito controlador é arranjado para, com dito contato móvel em dita posição aberta, fazer com que uma tensão seja aplicada a dito atuador a partir de dita fonte de tensão, para fazer com que uma força motriz seja aplicada a dito contato móvel, para fazer com que dito contato móvel mova no sentido de dita posição fechada, e no qual dito controlador é arranjado para aplicar dita tensão por um primeiro período de tempo que termina antes que dito contato móvel alcance dita posição fechada, e no qual dito controlador e ainda arranjado para ao final de dito primeiro período de tempo ajustar dita tensão para reduzir dita força motriz.

[0013] Preferivelmente, dita fonte de tensão compreende pelo menos um capacitor.

[0014] Tipicamente dito atuador compreende pelo menos uma bobina eletromagnética, dito controlador sendo arranjado para aplicar tensão de maneira seletiva à dita pelo menos uma bobina eletromagnética.

[0015] Dito atuador pode incluir uma parte móvel, móvel para dentro e para fora de uma posição fechada, em resposta a mudanças na energização de dita pelo menos uma bobina eletromagnética. Preferivelmente dito atuador inclui uma parte não móvel, e no qual ditas partes móvel e não móvel são configuradas para travar de maneira magnética uma com a outra em uma posição fechada como um resultado de magnetismo residual de ditas partes móvel e não móvel (dito magnetismo residual resultando do efeito precedente de dita pelo menos uma bobina quando energizada (isto é, por meio do escoamento de corrente) em ditas partes móvel e não móvel).

[0016] Dito comutador elétrico pode compreender um disjuntor ou um interruptor a vácuo.

[0017] Outros aspectos vantajosos da invenção se tornarão evidentes para aqueles versados de maneira ordinária na técnica quando da revisão da descrição a seguir de uma modalidade específica e com referência aos desenhos que acompanham.

Breve descrição dos desenhos

[0018] A figura 1 é uma vista lateral em corte de um disjuntor adequado para utilização com a presente invenção;

[0019] A figura 2 é uma vista lateral em seção de um atuador adequado para utilização no disjuntor da figura 1, o atuador sendo mostrado em um estado fechado;

[0020] A figura 3 é uma vista lateral em seção do atuador da figura 2, o atuador sendo mostrado em um estado aberto;

[0021] A figura 4 é uma vista esquemática de um circuito de controle adequado para utilização no controle da operação do disjuntor da figura 1;

[0022] A figura 5A é um gráfico que mostra a tensão da bobina atuadora contra tempo, para um método de controle simples;

[0023] A figura 5B é um gráfico que mostra a velocidade de contato contra tempo para o método de controle simples;

[0024] A figura 6A é um gráfico que mostra tensão de bobina atuadora contra tempo para um primeiro método de controle que configura a invenção;

[0025] A figura 6B é um gráfico que mostra velocidade de contato contra tempo para dita primeira modalidade;

[0026] A figura 7A é um gráfico que mostra tensão da bobina atuadora contra tempo para um segundo método de controle que configura a invenção;

[0027] A figura 7B é um gráfico que mostra velocidade de contato contra tempo para dita segunda modalidade;

[0028] A figura 8A é um gráfico que mostra tensão de bobina atuadora contra tempo para um terceiro método de controle que configura a invenção;

[0029] A figura 8B é um gráfico que mostra velocidade de contato contra tempo para dita terceira modalidade;

[0030] A figura 9A é um gráfico que mostra tensão de bobina atuadora contra tempo para um quarto método de controle que configura a invenção;e

[0031] A figura 9B é um gráfico que mostra velocidade de contato contra tempo para dita quarta modalidade.

Descrição detalhada dos desenhos

[0032] Fazendo referência agora em particular à figura 1 dos desenhos, nela está mostrado e genericamente indicado como 10 um dispositivo comutador elétrico de um tipo comumente referido como um disjuntor ou interruptor. O comutador 10 é configurado para operar automaticamente em uma condição de falha, por exemplo, uma sobrecarga de corrente ou curto-circuito, para proteger o circuito (não mostrado) para o qual ele é incorporado durante utilização. Ele consegue isto rompendo o circuito elétrico em resposta a detectar uma falha, com isto interrompendo o escoamento de corrente. Em algumas modalidades o comutador 10 pode ser reajustado manualmente, (por exemplo, de maneira mecânica ou eletromecânica, por ativação manual de um controle de usuário (não mostrado)) ou automaticamente (tipicamente de maneira eletromecânica em resposta ao comutador 10 detectar que a falha acabou e/ou depois que um período limiar de tempo tenha expirado desde a ativação). Disjuntores que reajustam automaticamente são conhecidos comumente como religadores.

[0033] O comutador 10, que é daqui em diante referido como um disjuntor, compreende primeiro e segundo contatos elétricos 12,14. O primeiro contato 12 é móvel entre uma posição aberta (como mostrado na figura 1) e uma posição fechada (não ilustrada) na qual ele faz contato elétrico com o segundo contato 14. A posição aberta do contato 12 corresponde ao estado aberto ou de ruptura do disjuntor 10 no qual ele interrompe escoamento de corrente. A posição fechada do contato 12 corresponde a um estado fechado ou de execução do disjuntor 10, no qual corrente é capaz de escoar entre os contatos 12, 14. Na modalidade ilustrada os contatos 12,14 são localizados em uma câmara de vácuo 16 e o disjuntor 10 pode ser referido como um disjuntor a vácuo.

[0034] Movimento do contato 12 entre suas posições aberta e fechada é efetuado por um atuador eletromagnético 18 que está descrito em mais detalhe daqui em diante com referência às figuras 2 e 3. Para esta finalidade, o atuador 18 é acoplado mecanicamente ao contato móvel 12. Na modalidade ilustrada, um dispositivo acoplamento mecânico 20 é fornecido entre o atuador 18 e o contato 12 e configurado para traduzir movimento do atuador 18 para um movimento correspondente do contato 12. Em particular, o dispositivo acoplamento 20 traduz movimento substancialmente linear do atuador 18 para movimento substancialmente linear do contato 12. Preferivelmente o dispositivo acoplamento 20 compreende um elemento de acoplamento 22 formado de um material eletricamente isolante.

[0035] Fazendo agora referência às figuras 2 e 3, o atuador preferido 18 está descrito. O atuador 18 compreende um corpo 24 que tem uma primeira parte 24A e uma segunda parte 24B. A primeira parte 24A é móvel em relação à segunda parte 24B entre uma posição fechada (figura 2) e uma posição aberta (figura 3), a segunda parte 24B tipicamente sendo fixa em relação ao disjuntor 10 durante utilização. Dispositivo de deslocamento resiliente é fornecido para forçar a primeira parte 24A no sentido preferivelmente para a posição aberta. Em modalidades típicas, o dispositivo de deslocamento resiliente é arranjado para forçar a primeira parte 24A para a posição aberta, e pode compreender qualquer dispositivo de deslocamento resiliente adequado, por exemplo, uma ou mais molas de compressão 26.

[0036] O atuador 18 compreende uma haste 28 que carrega de maneira conveniente a mola 26. Na modalidade ilustrada, a extremidade livre 30 da haste 28 é acoplada ao elemento de acoplamento 22. Em utilização, quando a parte 24A move no sentido da parte 24B, faz com que a haste 30 mova para cima (como visto nos desenhos). Movimento correspondente é passado a uma segunda haste 29 por meio do elemento de acoplamento 22, a segunda haste 29 sendo acoplada entre o elemento de acoplamento 22 e o contato móvel 12. Este movimento da segunda haste 29 faz com que o contato 12 mova no sentido e finalmente para a posição fechada. O dispositivo de deslocamento resiliente, por exemplo, compreendendo uma ou mais molas de compressão 27, pode ser acoplado entre a parte móvel 24A e a haste 28. O arranjo preferido é tal que quando a parte 24A está em sua posição fechada a mola 27 está comprimida, e assim imprime força para a haste 28 para ajudar a manter o contato 12 em sua posição fechada.

[0037] Daí, o movimento da parte 24A no sentido da posição fechada provoca o movimento do contato 12 no sentido de sua posição fechada. É observado que a parte 24A e o contato 12 podem não alcançar suas respectivas posições fechadas ao mesmo tempo. Por exemplo, na modalidade ilustrada, o contato 12 alcança sua posição fechada antes que a parte 24 A o faça. O arranjo preferido é tal que o movimento da parte 24A, que ocorre depois que o contato 12 está fechado, serve para comprimir a mola 27.

[0038] O atuador 18 inclui um dispositivo operacional eletromagnético 32 que compreende uma ou mais bobinas eletromagnéticas 36, que podem compreender um ou mais enrolamentos e, tipicamente, um suporte de bobina. A bobina 36 é tipicamente anelar e está mostrada nas figuras 2 e 3 em seção transversal. A bobina 36 é configurada tipicamente para formar um solenoide. A bobina 36 é energizada aplicando uma tensão a ela, fazendo com que corrente escoe através da bobina, a corrente criando um campo eletromagnético ao redor da bobina. Inversamente, a bobina 36 é desenergizada reduzindo a corrente que escoa através da bobina 36. O arranjo é tal que, quando energizada a bobina 36 atua como um eletroímã que força a parte móvel 24A no sentido da posição fechada, e também em modalidades preferidas magnetiza as partes 24A, 24B para criar magnetismo residual de travamento entre elas.

[0039] Na modalidade preferida, um núcleo sólido não está presente dentro da bobina 36. Contudo, a parte móvel 24A pode ser olhada como um núcleo eletromagnético para a bobina 36 enquanto a parte não móvel 24IB pode ser olhada como um garfo. Tipicamente as partes 24A, 24B são formadas, pelo menos parcialmente, de material magnetizado ou ferro magnético que é magnetizado de maneira não permanente, porém é suscetível de ser magnetizado pelo campo eletromagnético gerado em utilização pela bobina 36. Alternativamente, uma ou ambas as partes 24A, 24B podem ser formadas, pelo menos parcialmente, de material magnetizado de maneira permanente.

[0040] A bobina 36 é carregada por, tipicamente fixada a uma das partes 24A 24B (neste exemplo a segunda parte 24B). O arranjo preferido é que a bobina 36 se projete a partir da segunda parte 24B e a primeira parte 24B (sic) seja conformada para acomodar a porção que se projeta da bobina 36 quando as partes 24A, 24B estão juntas.

[0041] A primeira parte 24A pode ser mantida na posição fechada por uma ou mais de uma variedade de maneiras, dependendo da modalidade. Por exemplo, onde uma ou ambas das primeira e segunda partes 24A, 24B compreendem um ímã permanente, ou é formada de outra maneira, pelo menos parcialmente de material magnetizável, a primeira parte 24A pode ser mantida fechada por meio de magnetismo residual (indicado pelas linhas de fluxo magnético RM na figura 2) nas primeira e/ou segunda partes 24A, 24B. Altemativamente ou em adição, a bobina 36 pode permanecer energizada para manter a primeira parte 24A na posição fechada por meio de força eletromagnética criada pelo campo eletromagnético ao redor da bobina. Na modalidade ilustrada, a bobina 36 cria magnetismo residual nas primeira e segunda partes 24A e 24B, de tal modo que quando a bobina 36 é desenergizada em seguida, as primeira e segunda partes 24A e 24B são mantida juntas.

[0042] A bobina 36 pode ser operada para liberar a primeira parte 24A controlando a tensão aplicada à bobina 36, em particular controlando a corrente que escoa na bobina. Por exemplo, em modalidades onde a bobina 36 é energizada para manter o estado de travamento por meio de eletromagnetismo, a bobina 36 pode ser liberada desenergizando a bobina 36, isto é, reduzindo a corrente que escoa na bobina. Em modalidades preferidas, uma tensão adequada pode ser aplicada à bobina 36, resultando em um campo eletromagnético que tem o efeito de superar ou anular qualquer magnetismo residual (inclusive magnetismo permanente) que esteja mantendo o estado travado. De maneira conveniente isto é conseguido aplicando uma tensão à bobina com polaridade oposta à tensão utilizada para fechar o atuador 18.

[0043] Quando a bobina 36 é operada como descrito acima, isto é, quando as primeira e segunda partes 24A e 24B são desmagnetizadas, a mola 28 atua a primeira parte 24A do corpo para sua posição aberta (figura 3). Voltar a primeira parte 24A para a posição fechada, pode ser conseguido energizando a bobina 36 com uma tensão adequada para criar um campo eletromagnético ao redor da bobina 36, o que tem o efeito de trazer uma primeira parte 24A para sua posição fechada (e de tal modo que o deslocamento da mola 26 seja superado). Movimento da primeira parte 24A no sentido de sua posição aberta provoca movimento do contato 12 no sentido de sua posição aberta. Na modalidade ilustrada, um movimento inicial da parte 24A fora de sua posição fechada provoca descompressão da mola 27 e nenhum movimento do contato 12. Em seguida, o contato 12 move no sentido de sua posição aberta quando a parte 24 continua a mover no sentido de sua posição aberta.

[0044] Fazendo referência agora à figura 4. Nela está mostrado um circuito de controle 40 para controlar a operação do atuador 18 e assim controlar a operação do disjuntor 10. O circuito 40 está conectado eletricamente à ou a cada bobina eletromagnética 36, e é configurado para controlar a energização da bobina 36, isto é, controlando a tensão através da bobina e assim a corrente através da bobina. O circuito 40 inclui um controlador 42 arranjado para detectar uma condição de falha para energizar ou desenergizar a bobina 36 de acordo. O controlador 40 pode assumir qualquer forma adequada, por exemplo, compreendendo circuitos lógicos e PLC (controlador lógico programável) e/ou um microprocessador ou microcontrolador adequadamente programado. O controlador 42 pode ser acoplado a qualquer dispositivo de detecção de falha adequado, por exemplo, um monitor de corrente.

[0045] Em uma modalidade simples (não ilustrado), o circuito de controle pode ser arranjado para aplicar uma tensão de energização à bobina 36 quando é desejado fechar o atuador 18 ou mantê-lo fechado, isto é, manter as partes 24A e 24B magnetizadas, e para desenergizar a bobina 36, por exemplo, cortar ou reduzir a tensão quando é desejado abrir o atuador 16, no qual as partes 24A e 24B são tais que magnetismo residual não continua a mantê-las juntas.

[0046] Em modalidades preferidas, contudo, onde a bobina 36 é mantida em seu estado de travamento por meio de magnetismo residual, o circuito de controle 40 é configurado para aplicar, respectivamente, uma tensão à bobina 36 para abrir o atuador 18 e para fechar o atuador 18. Quando abrindo o atuador 18, a tensão aplicada é selecionada de tal modo que ela tem o efeito de desmagnetizar as primeira e segunda partes 24A e 24B do atuador como descrito acima. Quando fechando o atuador a tensão aplicada é selecionada de tal modo que a bobina 36 cria um campo eletromagnético, fazendo com que a primeira parte 24A seja trazida para a posição fechada superando o deslocamento da mola 26, isto é, a bobina energizada 36 cria uma força motriz que atua sobre a parte móvel 24A do atuador, fazendo com que a parte móvel 24A mova no sentido da posição fechada, o que por sua vez cria uma força motriz sobre o contato móvel 12, fazendo com que o contato 12 mova no sentido da posição fechada.

[0047] Tipicamente, o circuito 40 inclui um ou mais capacitores de armazenagem 44, 46 para energizar a bobina 36. Em particular, a bobina 36 é energizada descarregando a tensão do capacitor através da bobina, com isto fazendo com que corrente escoe através da bobina para energizar a bobina. Para esta finalidade o circuito 40 inclui um ou mais comutadores para aplicar de maneira seletiva a, ou cada tensão de capacitor para a bobina 36. Em modalidades preferidas, um respectivo ou mais de capacitores são fornecidos para abrir o atuador 18 e para fechar o atuador 18. Na figura 1 a tensão armazenada pelo capacitor 44 é utilizada para fechar o atuador 18 enquanto a tensão armazenada pelo capacitor 46 é utilizada para abrir o atuador 18 e, portanto, para viajar com o disjuntor 10. Um respectivo dispositivo de comutação 48, 50 é fornecido para aplicar de maneira seletiva a respectiva tensão do capacitor à bobina 36, os dispositivos de comutação sendo controlados pelo controlador 42. Os dispositivos de comutação 48, 50 podem assumir qualquer forma adequada, porém, de maneira conveniente, compreender um ou mais transistores. Na modalidade preferida, cada dispositivo de comutação 48, 50 compreende respectivos dois transistores arranjados como o uma ponte de transistor. Tipicamente o circuito 40 é arranjado de ta] modo que as respectivas tensões dos capacitores 44, 46 são aplicadas à bobina 36 com polaridade oposta, para criar correntes respectivas na bobina com polaridade oposta. As tensões aplicadas à bobina 36 que descarregam os respectivos capacitores 44, 46 são transitórias e têm um perfil respectivo com o tempo, que é determinado pela respectiva capacitância e tipicamente também sobre a resistência associada dos circuitos por meio dos quais a tensão é descarregada.

[0048] Fechar o atuador 18 consome muito mais energia do que abrir o atuador 18, especialmente onde o deslocamento da mola 26 deve ser superado. Uma maneira de controlar o processo de fechamento envolve conexão direta do respectivo capacitor 44, 46 à bobina atuadora 36 por uma duração limitada (isto é, aplicação de uma tensão transitória). Uma desvantagem deste método é a energia substancial requerida para o fechamento do atuador. Esta energia poderia ser reduzida se não houvesse limitação na velocidade na qual o atuador fecha, uma vez que com velocidade de fechamento crescente, o rendimento do atuador aumenta. Contudo, a velocidade de fechamento deveria ser limitada para preservar a vida mecânica do disjuntor 10. Por exemplo, a velocidade de fechamento do contato móvel 12 deveria, tipicamente, não exceder 1 a 1,5 m/s. Portanto, os parâmetros do atuador são selecionados de tal maneira que a velocidade de fechamento não exceda o limite aceitável. Contudo, neste caso, o atuador opera com o rendimento relativamente baixo, resultando em peso, dimensão e consumo de energia, aumentados.

[0049] Por exemplo, a figura 5 A ilustra o método de controle descrito acima onde a tensão do capacitor é aplicada à bobina 36 através do comutador 48 na maneira relativamente não controlada descrita acima. Será observado que a tensão aplicada à bobina 36 assume um valor inicial V1 e está presente por um período de tempo limitado que termina no momento T2 durante o qual o nível de tensão aplicada decai. A figura 5B é um gráfico que mostra como a velocidade do contato móvel 12 varia durante o mesmo período em resposta à tensão de capacitor aplicada. Pode ser observado que a velocidade do contato cresce grosseiramente de maneira exponencial desde zero durante o processo de fechamento, até que o fechamento ocorra no momento T1<T2. Para impedir que a velocidade de contato exceda um nível aceitável admitido ser aproximadamente 1 m/s neste exemplo, o capacitor 44 é selecionado de tal maneira que VI seja relativamente reduzida em aproximadamente 200 V. O valor de capacitor requerido é relativamente elevado em 2,5 mF neste exemplo, o tempo de fechamento de contato é relativamente longo, aproximadamente 24 ms neste exemplo, e a duração total do processo de fechamento, incluindo o tempo de magnetização, é relativamente longo em aproximadamente 50 ms neste exemplo.

[0050] Em modalidades preferidas, o controlador 42 é configurado para controlar a aplicação de tensão para a bobina 36 durante o processo de fechamento, como é descrito agora com referência às figuras 6 até 9. Em um estágio inicial onde a parte móvel 24A do atuador 18 está em sua posição aberta, e o contato 12 está em sua posição aberta, uma tensão VI é aplicada à bobina 36 a partir do capacitor 44 por um período de tempo PI que termina no momento T3 que é antes que o contato 12 alcance sua posição fechada. A tensão V1 tende a diminuir de maneira relativamente lenta quando o capacitor 44 descarrega. Durante Pl a bobina 36 é energizada para criar uma força motriz na parte móvel 24A do atuador 18, fazendo com que ele mova no sentido de sua posição fechada, o que por sua vez cria uma força motriz no contato móvel 12, fazendo com que ele mova no sentido de sua posição fechada. Daí, durante o período PI o contato móvel 12 é acelerado para uma velocidade inicial que pode, alternativamente, ser referida como uma velocidade inicial, desde que o contato 12 tipicamente mova substancialmente de maneira linear no sentido do contato 14. Normalmente a parte móvel 24A e o contato móvel 12 são estacionários no início do período Pl, isto é, no momento T=0.

[0051] Ao final do período de tempo Pl o controlador 42 é configurado para ajustar a tensão aplicada à bobina 36 preferivelmente por um segundo período de tempo P2 que termina no momento T4, onde T4 é antes ou substancialmente ao mesmo tempo em que o contato 12 alcança sua posição fechada. O ajustamento da tensão é tal que ele reduz a força motriz exercida sobre e, portanto, a aceleração da parte móvel 24A (por meio de desenergização da bobina 36) e de maneira correspondente sobre o contato móvel 12.

[0052] Em uma modalidade, como exemplificada pela figura 6, a tensão aplicada à bobina 36 é reduzida ao final de Pl para um nível diferente de zero que é mais baixo do que uma tensão de capacitor disponível, preferivelmente entre zero volt e, por exemplo, aproximadamente 50% de VI ou da tensão de capacitor disponível naquele momento. Isto pode ser conseguido por meio de qualquer dispositivo adequado, por exemplo, fornecendo o circuito de controle 40 com circuitos de divisão de tensão (não mostrado) controláveis pelo controlador 42 de modo que ele possa de maneira seletiva fazer com que toda ou parte da tensão do capacitor para a bobina 36, ou por meio da provisão de circuitos de modulação em largura de pulso (não mostrado).

[0053] Em outra modalidade, como exemplificado pela figura 7, a tensão aplicada à bobina 36 é reduzida ao final de PI para zero. De maneira conveniente, o controlador 42 pode efetuar isto operando o comutador 48 para isolar a bobina da tensão através do capacitor 44.

[0054] Em outra modalidade, como exemplificado pela figura 8, a tensão aplicada à bobina 36 ao final de PI tem uma polaridade invertida, isto é, um valor de tensão negativo em relação à tensão do capacitor. Isto pode ser conseguido por qualquer dispositivo conveniente. Por exemplo, o controlador 42 pode operar o comutador 50 para aplicar uma tensão através da bobina 36 a partir do capacitor 46 que, em modalidades preferidas, tem uma polaridade oposta àquela do capacitor 44 (de maneira vantajosa o controlador 42 opera o comutador 48 para isolar o capacitor 44 neste caso).

[0055] Em ainda outra modalidade, como exemplificado pela figura 9, a tensão aplicada à bobina 36 ao final de PI é modulada, preferivelmente modulada em largura de pulso, e é mais preferivelmente modulada entre zero e a tensão do capacitor máxima disponível. Isto pode ser conseguido por meio de qualquer dispositivo adequado, por exemplo, fornecendo o circuito de controle 40 com circuitos de modulação de tensão (não mostrado) controlável pelo controlador 42, de modo que ele possa de maneira seletiva provocar modulação da tensão do capacitor para a bobina 36.

[0056] De maneira vantajosa ao final do período de tempo P2 o controlador 42 é configurado para aumentar a tensão incluindo a opção de aumentar a tensão efetiva, por exemplo, ajustando a modulação aplicada à bobina 36, preferivelmente para o nível máximo alcançável pelo circuito de controle 40 que, na presente modalidade, é determinado pela tensão através do capacitor 44, e é tipicamente menor do que a tensão V1 por um período de tempo P3 que termina no momento T5, onde T5 tipicamente termina depois que o contato 12 tenha alcançado a posição fechada. Isto tem o efeito de energizar a bobina 36 para criar magnetismo residual suficiente em partes 24A e 24B para manter o atuador 18 em seu estado fechado depois que a tensão do capacitor tenha partido. Na modalidade ilustrada a tensão é aumentada durante T3 para aumentar a corrente na bobina 36, para aumentar o fluxo magnético nas partes 24A e 24B até um nível em que as duas partes 24A e 24B são mantidas fechadas por meio de magnetismo residual (travamento magnético). Em modalidades onde magnetismo residual não é requerido para manter a trava em seu estado fechado, aumentar a tensão durante P3 não é necessário.

[0057] O período P3 pode começar antes, preferivelmente logo depois, por exemplo, até 2 ms, preferivelmente até 1 ms, e mais preferivelmente até 0,5 ms antes substancialmente no mesmo momento em que ou depois que o contato móvel 12 alcance sua posição fechada. Como resultado, aumentar a tensão neste momento não aumenta de maneira apreciável a velocidade do contato 12.

[0058] Em modalidades preferidas, a velocidade inicial desejada do contato 12 no momento T3 é determinada pela velocidade máxima desejada do contato 12 quando ele engata com o contato fixo 14. A velocidade máxima desejada depende das características físicas do disjuntor 10, porém, em geral é selecionada de modo a não provocar dano indevido aos contatos 12, 14. Uma vez que a velocidade inicial seja conhecida, a duração do período PI pode ser determinada. Isto irá depender não apenas das características físicas do disjuntor 10, por exemplo, respectivas massas das partes móveis 24A, 12, a resistência da mola 26 etc., mas também da tensão disponível a partir do capacitor 44. É preferido acelerar o contato 12 até a velocidade inicial tão rapidamente quanto possível, uma vez que isto reduz a energia requerida para fazer isto. Portanto, é preferido utilizar um capacitor 44 que permita que a tensão praticável a mais elevada seja fornecida para a bobina 36. Na prática o circuito de controle 40 tem limitações de corrente, e assim o capacitor 44 é escolhido para fornecer a tensão a mais alta possível sem receber as limitações de corrente. Por exemplo, no circuito 40 da figura 4 os transistores de comutação têm um limite de corrente que determina a tensão máxima que pode ser fornecida para a bobina 36 pelo capacitor 44. Uma vez que a tensão do capacitor seja conhecida T3 pode ser calculado. Alternativamente, ele pode ser determinado de maneira empírica.

[0059] Será visto, portanto, que na modalidade preferida toda a tensão disponível do capacitor é aplicada à bobina 36 durante o estágio inicial Pl para começar a fechar o atuador 18 e para acelerar o contato móvel 12 até a velocidade inicial desejada. Então, a tensão ou tensão efetiva é diminuída de maneira deliberada em oposição a diminuir como um resultado de decaimento de tensão do capacitor, por meio do controlador 42 para suprimir a aceleração do contato 12. Quando o contato móvel 12 se aproxima da posição fechada (e não há tempo deixado para acelerar as respectivas partes móveis além da velocidade máxima desejada), ou daí em diante, a tensão é novamente aumentada, fornecendo crescimento de corrente de bobina até um nível suficiente para magnetização efetiva dos componentes do atuador para permitir travamento magnético na posição fechada.

[0060] No exemplo da figura 6 uma tensão inicial de 385 V é aplicada à bobina 36, então em T3 = 7 ms a tensão é reduzida por aproximadamente 50%.

[0061] Em seguida, no momento T4 = 16,5 ms, a tensão é novamente aumentada. Como resultado, para o mesmo disjuntor 10 em comparação com o método da figura 5, o tempo de fechamento do atuador é reduzido de 24 ms para 17 ms, o tempo de fechamento total incluindo o tempo de magnetização de trava é reduzido de 50 ms para 27 ms e energia armazenada requerida para fechamento é reduzida de 50J para 22J. Mesmo assim é observado que as respectivas velocidades de fechamento dos contatos nos exemplos mostrados na figura 5 e na figura 6 são substancialmente a mesma (aproximadamente 1 m/s).

[0062] Na prática, a velocidade do contato móvel 12 é importante uma vez que ela afeta a vida mecânica do interruptor a vácuo, ou outro dispositivo. Tipicamente, as velocidades respectivas do contato móvel 12 e parte 24A do atuador 18 são substancialmente iguais até que o contato móvel 12 atinja o contato fixo 14, devido ao fato que a parte 24B durante movimento para cima empurra a haste 28 do isolador 22 com a ajuda da mola de pressão de contato adicional 27. No momento quando os contatos 12, 14 fecham juntos, existe um espaço, por exemplo, de aproximadamente 2 mm entre as partes 24A e 24B do atuador 18. Depois deste momento o contato móvel 12 não move, porém a parte 24A se mantém movendo até que o espaço seja fechado.

[0063] A invenção não está limitada à modalidade descrita aqui, a qual pode ser modificada ou variada sem se afastar do escopo da invenção.

Claims

1. Método de controlar um comutador elétrico (10), o comutador elétrico (10) que compreende um contato móvel (12) e um atuador eletromagnético (18) para fazer com que o contato móvel (12) mova entre uma posição aberta e uma posição fechada, o método compreendendo: com o contato móvel (12) na posição aberta, aplicar uma tensão (VI) ao atuador (18) para fazer com que uma força motriz seja aplicada ao contato móvel (12), para fazer com que o contato móvel (12) mova no sentido da posição fechada, na qual a tensão (VI) é aplicada por um primeiro período de tempo (Pl) que termina antes que o contato móvel (12) alcance a posição fechada e ao final do primeiro período de tempo (Pl), ajustar a tensão (VI) para reduzir a força motriz, o método caracterizadopor: calcular uma duração para o primeiro período de tempo (Pl) baseado em uma velocidade inicial desejada do contato móvel (12), e aplicar a tensão (VI) pelo primeiro período de tempo (Pl) para acelerar o contato móvel (12) à velocidade inicial desejada.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato do método ainda incluir, depois que a tensão (V1) é ajustada para reduzir a força motriz, ajustar ainda mais a tensão (VI) para aumentar a força motriz

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que o outro ajustamento da tensão (VI) ser realizado antes, depois ou ao mesmo tempo em que o contato (12) alcança a posição fechada, a temporização sendo selecionada de tal modo que o outro ajustamento da tensão (VI) não afeta a velocidade do contato.

4. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que o outro ajustamento da tensão (VI) ser realizado antes que o contato móvel (12) alcance a posição fechada.

5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizadopelo fato de que o outro ajustamento da tensão (VI) ser realizado imediatamente antes que o contato móvel (12) alcance a posição fechada.

6. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o outro ajustamento da tensão (VI) ser realizado suficientemente próximo ao momento quando o contato móvel (12) alcança a posição fechada que o outro ajustamento de tensão (VI) não afete de maneira apreciável a velocidade do contato móvel (12).

7. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato do outro ajustamento da tensão (VI) ser realizado em até 2 ms, preferivelmente até 1 ms, mais preferivelmente até 0,5 ms antes que o contato móvel (12) alcance a posição fechada.

8. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do outro ajustamento da tensão (VI) ser realizado ao mesmo tempo em que o contato móvel (12) alcança a posição fechada.

9. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato do outro ajustamento da tensão (VI) ser realizado depois que o contato móvel (12) alcança a posição fechada.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do ajustamento da tensão (VI) para reduzir a força motriz envolver reduzir a tensão (VI) para um nível diferente de zero.

11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato do ajustamento da tensão (VI) para reduzir a força motriz envolver reduzir a tensão (VI) por pelo menos 50% para um nível diferente de zero.

12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do ajustamento da tensão (VI) para reduzir a força motriz envolver reduzir a tensão (VI) para zero.

13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do ajustamento da tensão (VI) para reduzir a força motriz envolver inverter a polaridade da tensão (V1).

14. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do ajustamento da tensão (VI) para reduzir a força motriz envolver modular a tensão (VI).

15. Método de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato do ajustamento da tensão (VI) para reduzir a força motriz envolver modular a tensão (VI) em largura de pulso.

16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato da modulação em largura de pulso ser arranjada para fazer com que zero volt seja aplicado ao atuador (18) entre pulsos.

17. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do comutador (10) incluir um circuito de controle (40) incluindo pelo menos um capacitor (44, 46) para armazenar a tensão (VI), e no qual a aplicação de uma tensão (VI) ao atuador (18) para fazer com que uma força motriz seja aplicada ao contato móvel (12) envolver aplicar a tensão (VI) a partir do pelo menos um capacitor ao atuador (18).

18. Método de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que ajustar a tensão (VI) para reduzir a força motriz envolver ajustar a tensão (VI) aplicada a partir do pelo menos um capacitor (44, 46) ao atuador (18).

19. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do atuador (18) compreender pelo menos uma bobina eletromagnética (36) e no qual a aplicação de uma tensão (VI) ao atuador (18) para fazer com que uma força motriz seja aplicada ao contato móvel (12) envolver aplicar a tensão (VI) à pelo menos uma bobina.

20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que ajustar a tensão (VI) para reduzir a força motriz envolve ajustar a tensão (VI) aplicada à pelo menos uma bobina (36).

21. Comutador elétrico (10), que compreende um contato móvel (12) e um atuador eletromagnético (18), para fazer com que o contato móvel (12) mova entre uma posição aberta e uma posição fechada, o comutador compreendendo ainda: uma fonte de tensão (44, 46), um controlador (42) para aplicar de maneira seletiva tensão (VI) a partir da fonte de tensão (44, 46) para o atuador (18), no qual o controlador (42) é arranjado para, com o contato móvel (12) na posição aberta, fazer com que uma tensão (VI) seja aplicada ao atuador (18) a partir da fonte de tensão (44, 46), para fazer com que uma força motriz seja aplicada ao contato móvel (12), para fazer com que o contato móvel (12) mova no sentido da posição fechada, e no qual o controlador é arranjado para aplicar a tensão (VI) por um primeiro período de tempo (Pl) que termina antes que o contato móvel (12) alcance a posição fechada, e no qual o controlador é ainda arranjado para ao final do primeiro período de tempo (Pl) ajustar a tensão (VI) para reduzir a força motriz, caracterizadopelo fato de que o controlador é arranjado para calcular a duração do primeiro período de tempo (Pl) baseado em uma velocidade inicial desejada do contato móvel (12), e aplicar a tensão (VI) pelo primeiro período de tempo (Pl) para acelerar o contato móvel (12) à velocidade inicial desejada.

22. Comutador de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato da fonte de tensão (44, 46) compreender pelo menos um capacitor.

23. Comutador de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato do atuador (18) compreender pelo menos uma bobina eletromagnética (36), o controlador (42) sendo arranjado para aplicar de maneira seletiva tensão (VI) para a pelo menos uma bobina eletromagnética.

24. Comutador de acordo com a reivindicação 23, caracterizado pelo fato do atuador (18) incluir uma parte móvel, móvel para dentro e para fora de uma posição fechada em resposta a mudanças na energização da pelo menos uma bobina magnética (36).

25. Comutador de acordo com a reivindicação 24, caracterizado pelo fato do atuador (18) incluir uma parte não móvel e no qual as partes móvel e não móvel são configuradas para travar de maneira magnética uma com a outra em uma posição fechada como um resultado de magnetismo residual nas partes móvel e não móvel.

26. Comutador de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato do comutador elétrico (10) compreender um disjuntor.

27. Comutador de acordo com a reivindicação 21, caracterizado pelo fato do comutador elétrico (10) compreender um interruptor a vácuo.