ITMI981102A1 - Dispositivo di comando e controllo di organi di manovra elettrica - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo di comando e controllo per l'apertura/chiusura di organi di manovra elettrica, ad esempio interruttori, richiuditori, sezionatori e simili, particolarmente per reti di trasmissione e/o distribuzione ad alta e media tensione. Il dispositivo secondo la presente invenzione à particolarmente adatto per 1'impiego in interruttori per correnti ad alta tensione, e verrà ora descritto facendo riferimento a tale applicazione, senza voler in alcun modo limitare il suo ambito di applicazione.
Un esempio di un singolo polo di un interruttore munito di un dispositivo di comando di tipo noto è illustrato schematicamente in Fig. 1. Su un'intelaiatura di supporto 1 à posizionato un primo isolatore di supporto 2 a forma di colonna, sulla cui estremità superiore è posizionato un secondo isolatore 3 al cui interno è prevista una camera di interruzione con meccanismi di interruzione costituiti da contatti fissi e contatti mobili. La manovra di chiusura/apertura viene effettuata impegnando/disimpegnando i contatti fissi con i contatti mobili. I contatti mobili sono operativamente collegati con un'asta di azionamento che si estende, all'interno dell'isolatore 1, dai contatti mobili sino alla base della colonna. L'azionamento dell'asta avviene per mezzo di cinematismi situati in un carter 4 alla base della colonna, detti cinematismi essendo operativamente connessi ad un dispositivo di comando 5. I dispositivi di comando di interruttori di alta tensione sono oggi di tipo meccanico o idraulico. Il comando meccanico utilizza generalmente due molle, una di chiusura ed una di apertura, un ammortizzatore di fine corsa, un motore di ricarica per la molla di chiusura ed un meccanismo che consente di: trasformare il moto prodotto dalle molle in movimento traslatorio del contatto mobile, ricaricare la molla di apertura, rendere il movimento di apertura, indipendente da quello di chiusura.
Un esempio schematico di un dispositivo di questo tipo è riportato in Fig. 2, in cui si possono riconoscere i seguenti elementi: una molla di apertura 10, un dispositivo di apertura 11 comandato da un elettromagnete, un eccentrico con leva 12, un dispositivo di chiusura 13 comandato da un elettromagnete, un albero principale 14, un braccio 15 solidale con l'albero 14, una molla di chiusura 16, un ammortizzatore 17, un tamburo 18 ed un motoriduttore 19. Esistono molte configurazioni alternative a quella illustrata, ma, in generale, i dispositivi di comando meccanici dell'arte nota presentano un gran numero di componenti che necessitano di una taratura iniziale lunga e complessa.
Pur assolvendo il compito al quale sono dedicati, tali dispositivi presentano numerosi svantaggi oltre alla gii citata complessità meccanica. Il movimento del contatto mobile viene infatti determinato esclusivamente dalla caratteristica elastica delle molle di apertura e di chiusura; la legge di moto del contatto mobile non può essere variata dall'utente ma viene fissata in sede di progetto. I dispositivi di comando di tipo idraulico, in cui il movimento del contatta mobile è assicurato da opportuni attuatori idraulici, possono ovviare in parte a questi inconvenienti ma hanno degli svantaggi legati alla presenza di fluidi, soprattutto in conseguenza della loro sensibilità alla temperatura.
L'assenza di controllo sulla legge di moto dell'attuatore richiede inoltre la presenza di smorzatori o ammortizzatori per dissipare l’energia cinetica residua al termine della manovra ed evitare urti incontrollati sul polo. Inoltre, la precisione di posizionamento del contatto mobile risulta limitata da un meccanismo che è intrinsecamente poco preciso in conseguenza della presenza delle molle.
Dato l'elevato numero di componenti, i dispositivi dell'arte nota richiedono interventi di manutenzione per mantenere inalterato il comportamento nominale e quindi garantire la ripetibilità della manovra compensando le variazioni dovute ad usura ed invecchiamento del sistema. La ripetibilità della manovra ha comunque dei limiti intrinseci.
Ancora un ulteriore problema è dato dai tempi di risposta, cioè dal tempo che intercorre tra 1'invio del comando di manovra e 1'inizio del movimento del contatto mobile, che sono oggi dell'ordine di alcuni millisecondi .
Un ulteriore svantaggio è dato dall'elevata rumorosità dei dispositivi noti che può richiedere l'utilizzo di sistemi di isolamento acustico sul contenitore del dispositivo di comando per limitarne 1'impatto ambientale.
L'energia che deve essere fornita è inoltre superiore a quella strettamente necessaria per movimentare il contatto mobile, dato che si devono movimentare anche i vari elementi meccanici del comando.
Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di comando e controllo di organi di manovra elettrica, particolarmente ad alta e media tensione, quali ad esempio interruttori, sezionatori, richiuditori e simili, che consenta di movimentare il contatto mobile di detto organo di manovra elettrica in modo che realizzi una legge di moto predefinita.
All'interno di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di comando e controllo di organi di manovra elettrica che sia di ridotta complessità meccanica.
Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di comando e controllo di organi di manovra elettrica che consenta di predefinire la precisione di posizionamento del contatto mobile, sia in apertura che in chiusura.
Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di comando e controllo di organi di manovra elettrica che garantisca la ripetibilità della manovra, eventualmente compensando variazioni dovute ad invecchiamento ed usura.
Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di comando e controllo di organi di manovra elettrica che abbia ridotti tempi di risposta.
Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un dispositivo di comando e controllo di organi di manovra elettrica che sia di elevata affidabilità, di relativamente facile realizzazione ed a costi competitivi .
Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito vengono raggiunti da un dispositivo di comando e controllo per l'apertura e/o chiusura di organi di manovra elettrica, quali interruttori, sezionatori, richiuditori e simili, aventi almeno ul ontatto fisso ed almeno un contatto mobile, detto dispositivo comprendente mezzi attuatori operativamente collegati al contatto mobile che forniscono l'energia per effettuare la manovra di apertura/chiusura. Il dispositivo secondo l'invenzione è caratterizzato dal fatto che detti mezzi attuatori comprendono un motore con controllo di posizione, operativamente collegato al contatto mobile, ed una unità elettronica di controllo e potenza che a seguito di un comando di intervento invia al motore segnali elettrici per pilotare detto motore in modo che il contatto mobile realizzi una legge di moto predefinita.
Il controllo della legge di moto del contatto mobile consente di garantire l’accuratezza e la ripetibilità della manovra. Il dispositivo di comando risulta inoltre molto semplificato rispetto ai comandi dell'arte nota, in quanto permette di eliminare le molle, a spirale o di altro tipo, il motore di ricarica della molla di chiusura e tutti i meccanismi che consentono l'esecuzione dei cicli di manovra; conseguentemente anche gli ingombri risultano ridotti.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione di alcune forme di esecuzione, preferite ma non esclusive, di un dispositivo di comando e controllo per apertura e/o chiusura di organi di manovra elettrica, illustrato a titolò indicativo e non limitativo con l'ausilio degli uniti disegni in cui:
la figura 1 rappresenta schematicamente un polo di un interruttore munito di un dispositivo di comando di tipo noto;
la figura 2 rappresenta un esempio schematico di un dispositivo di comando meccanico di tipo noto;
la figura 3 rappresenta uno schema a blocchi di un dispositivo secondo l'invenzione;
la figura 4 rappresenta un polo di un interruttore ad alta tensione dotato di un dispositivo secondo il trovato;
la figura 5 rappresenta una possibile forma di realizzazione della coppia cinematica in un dispositivo secondo l'invenzione;
la figura 6 rappresenta una ulteriore forma di realizzazione della coppia cinematica in un dispositivo secondo l'invenzione,
la figura 7 rappresenta una particolare forma di realizzazione del dispositivo secondo del trovato, applicabile ad un polo di un interruttore ad alta tensione;
la figura 8 rappresenta un interruttore tripolare dotato di un unico dispositivo di comando e controllo secondo la forma di realizzazione di figura 5;
la figura 9 illustra una implementazione pratica del dispositivo di figura 6;
la figura 10 illustra un interruttore tripolare dotato di un unico dispositivo di comando e controllo secondo la forma di realizzazione di figura 7;
la figura 11 rappresenta un polo di un interruttore ad alta tensione dotato di un dispositivo secondo un'altra forma di realizzazione del trovato;
la figura 12 illustra un interruttore tripolare dotato di un unico dispositivo di comando e controllo secondo la forma di realizzazione di figura 11;
la figura 13 illustra una applicazione di una particolare forma di realizzazione del dispositivo secondo il trovato ad un interruttore tripolare;
la figura 14 è una vista secondo la sezione 60-60 di figura 13. .
Con riferimento alla figura 3, il dispositivo di comando e controllo secondo il trovato comprende un'unità di controllo e potenza 100 che a seguito di un comando di intervento 106 (proveniente ad esempio da un operatore o da un sistema di protezione) comanda il motore con controllo di posizione 101. Il motore 101 è operativamente collegato al contatto mobile 103 dell'organo di manovra elettrica per mezzo di una opportuna coppia cinematica 102. Il motore 101 viene pilotato dall'unità 100 in modo tale che il contatto mobile 103 realizzi una legge di moto predefinita.
- Il controllo di posizione viene generalmente effettuato per mezzo di un sensore di posizione situato sul motore 101 che invia all'unità di controllo 100 informazioni 107 relative al movimento del motore stesso. Il controllo di posizione può essere effettuato anche da un sensore di posizione del contatto mobile 103 che invia all'unità di controllo 100 informazioni 108 relative alla posizione effettiva del contatto mobile. Tale sensore di posizione può essere semplicemente un dispositivo di fine corsa che segnala all'unità di controllo 100 il completamento della manovra richiesta.
L'unità di controllo e potenza 100 è in genere alimentata direttamente dalla rete 104. E' tuttavia preferibile che il dispositivo sia dotato anche di un sistema di alimentazione ausiliario ad accumulo di energia 105. Preferibilmente tale sistema, costituito ad esempio da un banco di condensatori, deve essere in grado di immagazzinare e fornire come minimo l'energia richiesta per un ciclo di manovra rapido apertura/chiusura/apertura (OCO).
Attraverso l'unità di controllo e potenza 100 è possibile programmare in modo semplice e flessibile la legge di moto del contatto mobile, in funzione sia del comando che del tipo di guasto eventualmente rilevato. E' possibile inoltre predefinire la precisione di posizionamento del contatto mobile, sia in apertura che in chiusura, diminuendo i rischi di danneggiamento che sono oggi legati ai problemi di oltrecorsa. Il controllo di posizione effettuato sul motore e/o sul contatto mobile permette di frenare il contatto mobile al termine della manovra, eliminando così la necessità di dover utilizzare un ammortizzatore.
Preferibilmente il motore con controllo di posizione è costituito da un servo motore rotativo con sensore di posizione. In questo caso il collegamento tra motore e contatto mobile avviene per mezzo di una coppia cinematica in grado di trasformare il movimento rotatorio dell'albero motore in movimento traslatorio del contatto mobile. L'utilizzo di un servo motore permette di disporre di notevoli potenze con tempi di erogazione ridotti. Inoltre à possibile, a parità di potenza, agire con due parametri di controllo indipendenti (coppia e/o velocità) permettendo una maggior flessibilità in fase di progettazione.
Alcuni esempi non limitativi di possibili forme di realizzazione della coppia cinematica in un dispositivo secondo l'invenzione, sono rappresentati schematicamente in figura 5 e 6. Con riferimento alla figura 5, il motore 20 è operativamente accoppiato con il contatto mobile 27 per mezzo di una catena cinematica che comprende un pignone 21 montato sull'uscita dell’albero motore 22. Il pignone 21 è accoppiato con una ruota dentata o, più semplicemente secondo guanto illustrato in figura 5, con un settore di ruota dentata 23. Il settore 23 è solidale con un albero 24, a sua volta solidale con una manovella 25. La manovella 25 è collegata ad un'asta di comando 26 del contatto mobile, che trasmette il movimento a detto contatto mobile 27. Nella forma di realizzazione di figura 6, il motore 20 è operativamente accoppiato con il contatto mobile 27 per mezzo di una catena cinematica che comprende un pignone 21 montato sull’uscita dell'albero motore 22. Il pignone 21 e accoppiato con una cremagliera 30 solidale con un'asta di comando 31 del contatto mobile 27, realizzando in tal modo la trasformazione da movimento rotatorio a movimento traslatorio del contatto mobile. In figura 9 viene rappresentata l'implementazione pratica del meccanismo di figura 6; in particolare, in essa è possibile riconoscere, alla base di un polo, i cinematismi descritti in figura 6 e indicati complessivamente dal numero di riferimento 200, il sistema elettronico 201, ed il serbatoio di energia 202.
Il dispositivo secondo l’invenzione trova conveniente applicazione in vari organi di manovra elettrica, quali interruttori, sezionatori, richiuditori e simili, ed è particolarmente adatto per gli interruttori ad alta tensione. In figura 4 è rappresentato un esempio di un polo di un interruttore ad alta tensione comprendente un dispositivo di comando e controllo secondo l’invenzione; nella parte sinistra della figura l’interruttore è rappresentato in posizione chiusa mentre nella parte destra è rappresentato in posizione aperta. Nel caso dell'interruttore rappresentato in figura 4, il motore con controllo di posizione è un servomotore rotativo ed il collegamento tra motore e contatto mobile avviene per mezzo di un meccanismo del tipo rappresentato in figura 5.
Un altro esempio di possibile applicazione ad un palo di interruttore ad alta tensione è illustrato in figura 7, in cui il motore 20 à operativamente accoppiato con il contatto mobile, non illustrato in figura, per mezzo di una catena cinematica che comprende un pignone 21 montato sull'uscita dell'albero motore 22. In particolare, il pignone 21 è accoppiato con una cremagliera 30 analogamente a quanto descritto in figura 6; in questo caso, secondo una possibile variante realizzativa, la cremagliera 30 è a sua volta collegata all'asta di comando 26 del contatto mobile tramite un sistema manovella 25-leva 32. Sia la manovella 25 che la leva 32, in virtù della rotazione del motore e della traslazione della cremagliera, ruotano solidali con l'albero 24 e consentono la trasformazione del movimento rotatorio dell'albero motore in traslatorio del contatto mobile.
Ancora un'altra forma di applicazione ad un polo di interruttore è schematicamente illustrata in figura 11 in cui la trasformazione del moto da rotatorio a traslatorio è ottenuto, secondo una ulteriore forma di realizzazione della coppia cinematica, mediante l’impiego di una vite senza fine 50 integrata nel motore 20 e accoppiata direttamente all'asta di comando 26; in questo caso la rotazione del motore provoca il conseguente movimento della vite senza fine che comporta a sua volta la conseguente traslazione dell'asta 26.
Nel caso in cui l'organo di manovra elettrica sia costituito da un interruttore tripolare ad alta tensione per l'apertura e chiusura di un circuito ad esso collegato, ogni singolo polo può comprendere un meccanismo di comando e controllo secondo l'invenzione. In questo modo, programmando opportunamente l’unità elettronica di controllo e potenza, è possibile realizzare una manovra sincrona di apertura o chiusura. In alternativa, come illustrato nelle figure 8, 10, 12, l'interruttore tripolare può prevedere un unico dispositivo di comando e controllo secondo l'invenzione in una delle corrispondenti forme realizzative descritte in figura 5, 7, 11; in tali situazioni, il dispositivo è meccanicamente accoppiato con ogni singolo polo dell'interruttore mediante l'adozione di opportune aste 33 .
In particolare, come illustrato in figura 12, nel caso in cui la coppia cinematica implichi l'uso di una vite senza fine, la vite senza fine 50 è integrata nel motore e in seguito alla rotazione di questo impone una traslazione all'asta 33; la presenza per ogni polo di un sistema leva 25-raanovella 32 analogo a quanto precedentemente descritto, permette di imporre a ciascuna delle aste 26 un corrispondente movimento traslatorio.
Una ulteriore forma realizzativa nel caso di interruttore tripolare è descritta nelle figure 13 e 14 in cui l'albero motore 22 è collegato direttamente all'albero rotante 24 solidale con la manovella 25. In tal modo la rotazione dell'albero 22 comporta la rotazione dell'albero 24 e dalla manovella 25. Ciò permette quindi di avere l'attuazione diretta del contatto mobile, non visibile in figura, collegato all'asta 26, il quale trasla in virtù della rotazione del motore.
Il dispositivo di comando θ controllo secondo l'invenzione è inoltre caratterizzato da tempi di risposta brevissimi, di molto inferiori a quelli del dispositivo dell'arte nota che sono dell'ordine di alcuni millisecondi. Si è infatti visto che nel caso di interruttori ad alta tensione il tempo di risposta è inferiore a 1 millisecondo, generalmente dell'ordine di qualche decina di microsecondi. Il tempo di risposta è definito come il tempo che intercorre tra l'invio del comando di manovra e l'inizio del movimento del contatto mobile. Interruttori ad alta tensione caratterizzati da tempi di risposta così brevi non sono noti nello stato dell'arte. Costituisce pertanto un ulteriore oggetto della presente invenzione, un interruttore ad alta tensione caratterizzato dal fatto che il tempo di risposta, definito come tempo che intercorre tra l'invio del comando di manovra e l'inizio del movimento del contatto mobile, è inferiore ad 1 millisecondo .
Si è in pratica constatato come il dispositivo di comando e controllo secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato in quanto consente di realizzare un miglioramento delle caratteristiche degli organi di manovra elettrica, attraverso il controllo della legge di moto del contatto mobile.
Oltre ai vantaggi precedentemente elencati, il dispositivo di comando e controllo consente di ridurre i costi attraverso la riduzione delle parti, la riduzione delle operazioni di calibrazione e l'eliminazione di movimenti e sollecitazioni che possono dar luogo a danneggiamenti per urto. Vengono conseguentemente diminuiti anche i costi di manutenzione.
Il dispositivo così concepito è suscettibile di modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli potranno essere sostituiti da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze e lo stato della tecnica.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di comando e controllo per l'apertura e/o chiusura di organi di manovra elettrica aventi almeno un contatto fisso ed almeno un contatto mobile, comprendente mezzi attuatori operativamente collegati al contatto mobile che forniscono l'energia per effettuare la manovra di apertura/chiusura, caratterizzato dal fatto che detti mezzi attuatori comprendono un motore con controllo di posiziona, operativamente collegato al contatto mobile, ed una unità elettronica di controllo e potenza che a seguito di un comando di intervento invia al motore segnali elettrici per pilotare detto motore in modo che il contatto mobile realizzi una legge di moto predefinita.
- 2 . Dispositivo di comando e controlla secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un sistema ausiliario ad accumulo di energia per l'alimentazione dell'unità elettronica di controllo e potenza .
- 3 . Dispositivo di comando e controllo secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che detto sistema ausiliario è costituito da un banco di condensatori.
- 4 . Dispositivo di comando e controllo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il controllo di posizione viene effettuato da un sensore di posizione sul motore.
- 5. Dispositivo di comando e controllo seconda una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere un sensore di posizione del contatto mobile.
- 6. Dispositivo di comando e controllo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto motore con controllo di posizione è un servo motore rotativo.
- 7. Dispositivo di comando e controllo secondo la rivendicazione 6 caratterizzato dal fatto che il collegamento tra motore e contatto mobile avviene per mezzo di una coppia cinematica in grado di trasformare il movimento rotatorio dell'albero motore in movimento traslatorio del contatto mobile.
- 8. Polo di un interruttore ad alta tensione caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di comando e controllo seconda una o più delle rivendicazione da 1 a 7.
- 9. Interruttore tripolare ad alta tensione per l'apertura e chiusura di un circuito ad esso collegato caratterizzato dal fatto che ogni singolo polo comprende un dispositivo di comando e controllo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 7.
- 10. Interruttore tripolare ad alta tensione per l'apertura e chiusura di un circuito ad esso collegato caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo di comando e controllo secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 7 ed un meccanismo di accoppiamento di detto dispositivo con ogni singolo polo dell'interruttore. 11. interruttore ad alta tensione caratterizzato dal fatto che il tempo di risposta, definito come tempo che intercorre tra l'invio del comando di manovra e l'inizio del movimento del contatto mobile, è inferiore a 1 ms.
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