BR112013021225B1

BR112013021225B1 - Aparelho de comutação para fechamento e/ou abertura de um circuito elétrico e utilização de um aparelho de comutação

Info

Publication number: BR112013021225B1
Application number: BR112013021225-0A
Authority: BR
Inventors: Tomas Borg; Daniel Johansson
Original assignee: Abb Schweiz Ag
Priority date: 2011-02-23
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2022-01-04
Also published as: EP2492937B1; CN103370759A; CA2828032C; US8822864B2; US20140008193A1; AU2012219663A1; AU2012219663B2; CN103370759B; WO2012113741A1; MX2013009720A; EP2492937A1; CA2828032A1; BR112013021225A2

Abstract

APARELHO DE COMUTAÇÃO PARA FECHAMENTO E/OU ABERTURA DE UM CIRCUITO ELÉTRICO E UTILIZAÇÃO DE UM APARELHO DE COMUTAÇÃO. A presente invenção refere-se a um aparelho de comutação para o fechamento e/ou a abertura de um circuito elétrico. Ele tem uma unidade de acionamento (3, 5, 22) e um mecanismo biestável (6). A unidade de acionamento (3, 5, 22) é linearmente móvel entre uma primeira posição final em que o aparelho de comutação está no estado fechado, e uma segunda posição final, em que o aparelho de comutação está em um estado aberto. O movimento linear define um eixo. O mecanismo biestável está disposto para assegurar que a unidade de acionamento (3, 22) é mantida em qualquer uma das posições de extremidade. De acordo com a invenção, o mecanismo biestável inclui um meio de came (7a, 7b), ligado mecanicamente à unidade de acionamento (3, 5, 22) e pelo menos um seguidor de came (8). A invenção refere-se também a uma utilização do aparelho inventado.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a um aparelho de comutação para o fechamento e/ou a abertura de um circuito elétrico, incluindo uma unidade de acionamento e um mecanismo biestável, sendo que a unidade de acionamento pode se mover linearmente entre uma primeira posição final em que o aparelho de comutação está no estado fechado e uma segunda posição final em que o aparelho de comutação está em um estado aberto, cujo movimento linear define um eixo, o mecanismo biestável sendo disposto para assegurar que a unidade de acionamento é mantida em qualquer uma das posições finais, cujo mecanismo biestável inclui meios de came ligados mecanicamente à unidade de acionamento e pelo menos um seguidor de came.

[002] Os termos como "radial", "axial" e "circunferencial" no texto do presente pedido de patente referem-se ao eixo definido.

Antecedentes da Invenção

[003] O aparelho de comutação pode ser um fechador para fe char rapidamente um circuito elétrico, em particular, de nível médio ou de alta tensão. Tal aparelho de comutação normalmente tem dois contatos móveis para e de um com o outro. Normalmente, o movimento é linear. O movimento relativo pode ser conseguido na medida em que uma das partes de contato é móvel e outra estacionária ou em que ambas as peças de contato são móveis, e cada peça de contato móvel é provida com uma unidade de acionamento.

[004] Após um sinal de disparo um meio de acionamento ativa a unidade de acionamento para fechar ou interromper a corrente.

[005] É importante que a peça de contato móvel seja mantida na sua posição com grande estabilidade, seja a posição aberta ou fechada. Isto é conseguido pelo mecanismo biestável. De acordo com a técnica anterior, o mecanismo biestável é um dispositivo de comutação. Exemplos disto estão descritos nos WO 03/096502 e EUA 6.538.347.

[006] O dispositivo de comutação utilizado de acordo com a téc nica anterior consiste de um número de barras ligadas à unidade de acionamento, o que frequentemente tem a forma de um tubo. Cada barra é ligada a um êmbolo impelido por uma mola de compressão radialmente em direção ao tubo. Nas duas posições finais as barras são inclinadas com relação à direção radial, com a inclinação em direções diferentes para as duas posições finais. Quando os meios de acionamento movem o tubo de uma posição final para a outra, as barras de ligação têm que passar por uma posição intermediária, na qual as barras são radiais e as molas são comprimidas ao máximo. O acionamento do tubo, ou seja, a unidade de acionamento, de uma posição final para a outra, portanto, tem o efeito de que a barra se desloca de uma posição inclinada para o outro através de uma posição central radial. Cada mola assim será gradualmente comprimida do estado substancialmente descomprimido na posição final até que a barra alcance a sua posição média. Depois disso, a mola é gradualmente liberada quando a barra se move a partir da posição intermediária para a outra posição final. Isto significa que uma força para comprimir as molas tem de ser superada para deslocar a unidade de acionamento a partir de qualquer posição final. Assim, as posições finais se tornam estáveis.

[007] Apesar de tal mecanismo biestável conhecido funcionar normalmente de modo satisfatório ele tem alguns inconvenientes. O mecanismo é complicado, caro e também demorado de montar. O curso para o tubo de acionamento é maximizado, e se um curso maior é desejado, também o comprimento do curso dos êmbolos de mola tem de ser aumentado, por razões geométricas para uma dada inclinação máxima da barra de articulação. A carcaça mecânica completa assim precisa ser maior em diâmetro. Isto pode ser um problema, porque a carcaça isolante de um aparelho de comutação pode ser bastante grande, como é hoje, e um isolador ainda maior pode ser necessário para um curso maior.

[008] Outros exemplos de mecanismos de biestáveis estão des critos nos EUA 3873791 A, DD 291192 A5 e WO 2010/026048 A 1 aplicados para fins semelhantes. EUA 3873791 A descreve um mecanismobiestável que inclui um meio de came e um seguidor de came.

Sumário da Invenção

[009] Um objetivo da presente invenção é superar os problemas que implicam o desenho convencional do dispositivo biestável, em particular para melhorar os meios de came em tal mecanismo biestável.

[010] De acordo com a invenção este objetivo é conseguido quando um aparelho de comutação do tipo inicialmente especificado inclui as características específicas que cada seguidor de came inclui um rolo disposto para rolar sobre os meios de came e em que os meios de came têm um perfil de came com uma primeira e uma segunda extremidade axial, definindo a primeira e a segunda posição final, cujo perfil de came inclui uma parte convexa em forma de arco que se estende sobre a maior parte do perfil de came, cuja parte de came forma um ângulo variável com o eixo, cujo ângulo tem um máximo no intervalo de 10° a 45°.

[011] O mecanismo biestável inventado consiste de menos peças do que o dispositivo conhecido e é muito mais fácil e rápido de montar. Além disso, a utilização de um came permite uma maior liberdade para otimizar o rendimento do aparelho de comutação, simplesmente por moldar o perfil do came em conformidade. Outro benefício é que o di- âmetro da carcaça pode ser muito menor uma vez que os meios para impelir cada seguidor de came contra o came requerem menos espaço radial do que as molas no dispositivo de acordo com a técnica anterior, o qual tem que estar dimensionado para permitir que as barras se movam da posição inclinada para a posição radial. Isto é de particular interesse para um dispositivo de comutação com um grande comprimento de curso. A utilização de um dispositivo de came como o mecanismobiestável também tem a vantagem de que a característica do mo-vimento de atuação pode ser livremente projetada para ser adaptada a diferentes necessidades de várias aplicações simplesmente pela moldagem do perfil do came em conformidade, enquanto que um dispositivo de articulação tem uma flexibilidade mais limitada a este respeito.

[012] Através do contato de rolamento estabelecido pelo rolo so bre o seguidor de came o atrito é reduzido e o acionamento será suave. A extensão especificada do perfil do came é particularmente adequada para a finalidade de obtenção de posições finais estáveis. Contribui ainda para assegurar um acionamento suave evitando as alterações bruscas no padrão de força que, caso contrário, poderia ocorrer em cantos do perfil. O ângulo máximo especificado ocorrerá fechado para a extremidade do perfil de came, e por um lado é suficientemente grande para criar uma força de estabilização nas posições finais e, por outro lado suficientemente pequeno para manter a força axial necessária para a atuação em um nível aceitável.

[013] Por perfil de came entende-se a parte ativa do meio de ca me, isto é, a parte que está a cooperar com o, pelo menos, um seguidor de came. A porção convexa em forma de arco pode ser circular. A porção circular pode ser composta por uma pluralidade de seções circulares de raios diferentes. A porção em forma de arco pode ser alternativamente de qualquer outro tipo de curva. De preferência, o ângulo especificado está na faixa de 20° a 30° para a obtenção de um com- promisso bem equilibrado entre os dois requisitos referidos. É para ser entendido que, fora do perfil do came, ou seja, do lado de fora da peça ativa dos meios de came, os meios de came podem ter um ângulo que é maior do que o intervalo de variação definido.

[014] De acordo com uma modalidade da invenção, o número de seguidores de came é um ou dois.

[015] Usando apenas dois seguidores de came representa um projeto particularmente simples, com baixo peso e forças equilibradas. Usando apenas um seguidor de came resulta em ainda menos partes móveis, e, assim, o dispositivo é ainda mais simplificado a este respeito. Uma desvantagem, neste caso, no entanto, é que as forças do mecanismobiestável não são superadas. Se apenas um seguidor de came é utilizado, por conseguinte, é vantajoso dispor de tal modo que uma contraforça atue sobre o lado diametralmente oposto ao seguidor de came.

[016] De acordo com uma modalidade, cada seguidor de came está disposto para ser móvel em uma direção perpendicular ao eixo.

[017] Assim, um padrão de força simétrica é alcançado, e as for ças de estabilização nas posições finais serão iguais. O movimento perpendicularmente dirigido também leva a um design simples e função confiável.

[018] De acordo com uma modalidade, cada seguidor de came está disposto para ser móvel numa direção radial em relação ao eixo.

[019] Esta modalidade otimiza a cooperação entre o came e os seguidores de cames e simplifica ainda mais o design.

[020] De acordo com uma modalidade, existem, pelo menos, dois seguidores de came, e os seguidores de came estão distribuídos uniformemente na direção circunferencial.

[021] Assim, as forças exercidas pelos seguidores de came sobre a unidade de acionamento são radialmente equilibradas, o que conduz a uma construção simples, com menos requisitos de rolamentos ou elementos orientadores semelhantes. Com dois seguidores de came, estes são, assim, situados radialmente em frente uns dos outros, e com três seguidores de came eles estão dispostos em um ângulo de 120° entre si, etc.

[022] De acordo com uma modalidade, existem, pelo menos, dois seguidores de came, e os seguidores de came contatam com os meios de came, no mesmo plano radial.

[023] Assim, quaisquer forças de flexão dos seguidores de came sobre a unidade de acionamento, são eliminadas o que contribui ainda mais para uma construção simples e confiável.

[024] De acordo com uma modalidade, cada seguidor de came inclui um êmbolo suportado por uma mola mecânica.

[025] Este é um modo simples de assegurar um bom contato en tre o seguidor de came e os meios de came e para obter a força de estabilização nas posições finais. De preferência, a mola é uma mola de compressão.

[026] De acordo com uma modalidade, o perfil do came é simétri co na direção axial.

[027] Isto representa um desenho simples e é particularmente adequado em aplicações onde as exigências de força e de velocidade para o movimento de atuação são substancialmente iguais em ambas as direções.

[028] De acordo com uma modalidade alternativa, o perfil de ca me não é simétrico na direção axial.

[029] Tal forma é vantajosa se as condições necessárias para as duas posições finais são diferentes, por exemplo, diferentes pressões de contato.

[030] De acordo com uma modalidade, os meios de came consis tem por uma unidade de came separada para cada seguidor de came, cuja unidade de came tem a forma de uma placa.

[031] Deste modo, o peso dos meios de came pode ser mantido relativamente baixo, em comparação com meios de came feitos como uma parte comum para todos os seguidores de came com um perfil de came que se prolonga inteiramente em torno do eixo. Um baixo peso é importante a fim de permitir a rápida aceleração e retardo quanto possível durante a atuação. As unidades de came separadas podem ser constituídas por uma peça única em forma de placa ou por peças separadas ligadas umas às outras ou aos meios de atuação.

[032] De acordo com uma modalidade, a unidade de acionamen to inclui uma barra para a qual os meios de came estão rigidamente ligados.

[033] Quando a unidade de acionamento está na forma de uma barra que termina como a peça de contato móvel, a superfície de contato contra a peça de contato estacionária pode ser relativamente grande, permitindo que o aparelho seja utilizado em altas correntes. Os meios de came podem ser montados na barra sendo fabricados integralmente em uma única peça com a mesma. Alternativamente, os meios de came podem ser fabricados separadamente e, em seguida, juntados à barra.

[034] De acordo com um segundo aspecto, a invenção refere-se a uma utilização do aparelho de comutação inventado para fechar ou comutar uma corrente elétrica de média e alta tensão.

[035] Com tensão média é compreendida uma tensão no interva lo de 1 a 72,5 kV e por alta tensão é entendida uma voltagem acima de 72,5 kV.

[036] A utilização inventada tem vantagens do mesmo tipo que o aparelho de comutação inventado e as modalidades preferidas do mesmo, cujas vantagens foram descritas acima.

[037] É para ser entendido que outras modalidades, é claro, po- dem ser constituídas por qualquer possível combinação das modalidades acima e por qualquer possível combinação destes e de características mencionadas na descrição dos exemplos que se seguem.

[038] A invenção será explicada adicionalmente através da des crição detalhada seguinte de exemplos da mesma e com referência aos desenhos anexos.

Breve Descrição dos Desenhos

[039] A Fig. 1 é um corte longitudinal através de um aparelho de comutação de acordo com a invenção.

[040] A Fig. 2 em um corte longitudinal, ilustra um detalhe da fig. 1 em uma escala ampliada.

Descrição de Exemplos

[041] A Fig. 1 ilustra um aparelho de comutação provido de um mecanismo biestável de acordo com a invenção. A ilustração é simplificada por uma questão de clareza, a fim de focar os aspectos que são relevantes para a compreensão da invenção. Assim, detalhes como os condutores e o isolamento são deixados de fora. Estes detalhes podem ser de qualquer tipo convencional e não necessitam de ser descritos. O aparelho de comutação tem uma peça contato estacionária 1 e uma peça de contato móvel 2. A peça de contato móvel 2 está dis-posta como a extremidade superior de uma primeira barra 3. A extremidade inferior da barra 3 está ligada a uma placa 22 de material condutor. Do lado de baixo da placa 22 uma segunda barra 5 se prolonga para baixo. A segunda barra 5 está disposta para cooperar com um mecanismo de biestável que será descrito mais abaixo. Neste exemplo, a primeira barra 3 é feita integrada com a placa 22, mas pode, alternativamente, ser feita de peças separadas. Além disso, a segunda barra 5 pode, alternativamente, ser integrada com a placa 22.

[042] As barras 3 e 5 e a placa 22, em conjunto, formam o que neste pedido é chamado a unidade de acionamento. Na figura, os apa- relhos de comutação se encontram no estado aberto. No caso em que o aparelho de comutação é para ser mudado para o estado fechado, um mecanismo de acionamento obriga a unidade de acionamento 3, 5, 22 para cima, de tal forma que a peça de contato móvel 2 entra na peça do contato fixa 1, em que o circuito será fechado. O caminho da corrente vai, assim, da carcaça 24 para a peça de contato móvel 2 através da carcaça superior 25, a flange 26 se estendendo radialmente para dentro da mesma, o elemento de contato 11 e o pino 3. O mecanismo de acionamento pode ser de qualquer tipo apropriado. No exemplo, o mecanismo de acionamento é constituído por uma bobina superior 21 e uma bobina inferior 23, cujas bobinas atuam indutivamente na placa condutora 22, para mover a unidade de acionamento 3, 5, 22 para o estágio fechado.

[043] O aparelho de comutação é fornecido com um mecanismo biestável 6 de acordo com a invenção. O mecanismo biestável 6 é explicado com referência à Fig. 2. Na barra 5 que forma uma parte da unidade de acionamento estão ligadas rigidamente duas unidades de came 7a, 7b. Cada uma das unidades de came 7a, 7b é uma placa que é dirigida radialmente em relação ao eixo da barra 5. Elas estão localizadas diametralmente opostas uma à outra. No que se segue, a descrição se refere apenas à peça da direita da figura, e é para ser compreendido que a peça esquerda é igual.

[044] A unidade de came 7b tem um perfil exterior 20, que é con vexo. Ele tem um máximo no meio 18, de onde simetricamente atinge o ponto de extremidade superior 17 e ponto de extremidade inferior 19 do perfil de came 20. Na figura, o perfil tem uma forma composta por arcos circulares de raios diferentes, mas é para ser entendido que outras curvas poderiam ser aplicadas.

[045] O mecanismo biestável tem um seguidor de came 8 de ca da lado. Um rolo 9 do seguidor de came se encontra em contato com o perfil 20 da unidade de came 7b. O rolo 9 está disposto para ser capaz de rolar e deslizar sobre o perfil 20 e é impelido no sentido dele por uma mola 15. A mola 15 é uma mola de compressão mecânica, que se estende na direção radial e está apoiada contra um fundo de suporte 16. A mola 15 atua sobre a parede de extremidade interior 14 de um êmbolo 13. O êmbolo 13 é deslocável radialmente em uma bucha 12 no alojamento 24. O cilindro 9 é montado sobre um pino 10 na extremidade interna radialmente do pistão 13.

[046] No estado aberto, conforme ilustrado na figura, a barra 5 está na sua posição mais baixa. O aparelho de comutação é constantemente mantido nesta posição uma vez que a força do seguidor de came 8 aplicada à extremidade superior 17 do perfil da came 20 cria uma resistência contra qualquer movimento para cima da barra 5, devido à inclinação do perfil de came 20. Os elementos, assim, não podem mover-se involuntariamente desta posição.

[047] Quando o aparelho de comutação é para ser fechado, a bobina 23 é ativada e atua sobre a placa 22 por uma força indutiva para mover rapidamente a placa 22 para cima e puxar a barra 5 na direção da seta A. Essa força é dimensionada de modo a acelerar a barra 5 ao mesmo tempo, suficientemente vencendo a força do seguidor de came 8, que se opõe ao movimento. Durante o movimento de acionamento, quando a barra 5 se move para cima, o rolo 9 rola sobre o perfil 20 da unidade de came 7b. Deste modo, a mola 15 é inicialmente comprimida até que o cilindro 9 atinja o topo 18 do perfil 20. A partir daí a mola 15 expande-se até que o cilindro 9 atinja a outra extremidade 19 do perfil, no qual o aparelho de comutação é fechado. A barra 5 é mantida estável nesta posição pela força do seguidor de came 8 resistindo ao movimento da barra no sentido descendente, de uma maneira semelhante como na situação descrita acima.

Claims

1. Aparelho de comutação para fechamento e/ou abertura de um circuito elétrico e incluindo uma unidade de acionamento (3, 5, 22) e um mecanismo biestável (6), a unidade de acionamento (3, 5, 22) sendo linearmente móvel entre uma primeira posição final, na qual o aparelho de comutação está no estado fechado, e uma segunda posição final, na qual o aparelho de comutação está em um estado aberto, cujo movimento linear define um eixo, o mecanismo biestável (6) sendo arranjado para assegurar que a unidade de acionamento (3, 5, 22) é mantida em qualquer uma das posições de extremidade, cujo mecanismo biestável (6) inclui um meio de cames (7a, 7b), ligado mecanicamenteà unidade de acionamento (3, 5, 22) e pelo menos um seguidor de came (8), caracterizado pelo fato de que cada seguidor de cames (8) inclui um cilindro (9) disposto para rolar sobre os meios de cames (7a, 7b) e onde os meios de came (7a, 7b) têm um perfil de came (20) com uma primeira (19) e uma segunda (17) extremidade axial, que define a referida primeira e segunda posição final, cujo perfil de came (20) inclui uma parte convexa em forma de arco que se estende sobre uma parte principal do perfil de came (20), cuja parte convexa forma um ângulo variando com o eixo, cujo ângulo tem um máximo na faixa de 10° a 45°.

2. Aparelho de comutação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o número de seguidores de cames (8) é um ou dois.

3. Aparelho de comutação de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada seguidor de came (8) está disposto para ser móvel em uma direção perpendicular ao eixo.

4. Aparelho de comutação de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que cada seguidor de cames (8) está disposto para ser móvel em uma direção radial em relação ao eixo.

5. Aparelho de comutação de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que existem, pelo menos, dois seguidores de cames (8), e os seguidores de came (8) estão uniformemente distribuídos na direção circunferencial.

6. Aparelho de comutação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que existem pelo menos dois seguidores de came (8) e que os seguidores de came (8) contatam os meios de came (7a, 7b), no mesmo plano radial.

7. Aparelho de comutação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que cada seguidor de came (8) inclui um pistão (13) suportado por uma mola mecânica (15).

8. Aparelho de comutação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o perfil de came (20) é simétrico na direção axial.

9. Aparelho de comutação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que o perfil da came (20) não é simétrico na direção axial.

10. Aparelho de comutação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que os meios de came (7a, 7b) consistem por uma unidade de came separada (7a, 7b) para cada seguidor de came (8), cuja unidade de came (7a, 7b) tem a forma de uma placa.

11. Aparelho de comutação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a unidade de acionamento (3, 5, 22) inclui uma barra (5), para a qual os meios de came (7a, 7b) estão rigidamente ligados.

12. Utilização de um aparelho de comutação como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que se destina para o fechamento ou a interrupção de uma corrente elétrica de nível de tensão média ou alta.