ITMI991720A1 - Interruttore di potenza per bassa tensione - Google Patents

Description

D E S C R I Z IO N E

Il presente trovato è relativo ad un interruttore di potenza per bassa tensione avente funzioni e caratteristiche migliorate; più precisamente, con la definizione di interruttore di potenza per bassa tensione è da intendersi un interruttore per applicazioni con tensioni di esercizio inferiori a 1000 Volt.

Generalmente negli impianti elettrici industriali di bassa tensione in cui sono in gioco correnti di elevato valore, e quindi anche le potenze in gioco sono elevate, vengono normalmente impiegati dei dispositivi specifici, comunemente noti nella tecnica come interruttori automatici di potenza .

Tali interruttori di potenza, che operano tipicamente con correnti alternate il cui valore nominale in funzione delle applicazioni può variare entro un vasto intervallo, tipicamente da poche centinaia a diverse migliaia di Ampères, sono deputati a fornire una serie di prestazioni necessarie a garantire il corretto funzionamento del circuito elettrico di alimentazione che proteggono e dei carichi ad esso connessi.

In particolare, essi proteggono i carichi da eventi anomali dovuti ad esempio a guasti da corto circuito o per sovraccarichi mediante apertura automatica del circuito di alimentazione stesso, permettono il corretto inserimento/disinserimento di carichi nel/dal circuito di alimentazione elettrica, garantiscono che la corrente nominale per le diverse utenze connesse sia effettivamente pari a quella richiesta, consentono, mediante intervento manuale su una leva di azionamento dell'interruttore stesso e relativa separazione dei contatti mobili da quelli fissi, il totale isolamento di un carico rispetto ad una sorgente di alimentazione e il conseguente sezionamento del circuito che essi stessi proteggono. Tali interruttori di potenza sono concepiti in modo da garantire queste prestazioni, ed altre ancora per una desiderata vita utile; in particolare, in funzione di quanto stabilito dalle normative, i costruttori definiscono una durata meccanica dell'interruttore, intesa come il numero di manovre di apertura/chiusura che l'interruttore è in grado di eseguire in assenza di corrente, ed una durata elettrica, intesa come il numero di manovre di apertura/chiusura che esso è in grado di eseguire in presenza di una corrente pari al valore nominale richiesto.

Attualmente esistono innumerevoli soluzioni realizzative di interruttori di potenza per basse tensioni in cui vengono impiegate principalmente due tecniche di interruzione della corrente e cioè una prima tecnica denominata di interruzione in aria, in cui l'accoppiamento/disaccoppiamento dei contatti avviene in aria a temperatura e pressione ambiente, e una seconda tecnica cosiddetta di interruzione sottovuoto, in cui l’accoppiamento/disaccoppiamento dei contatti avviene in un ambiente sottovuoto. In entrambe le tecniche di interruzione, le manovre di apertura/chiusura avvengono tramite l'utilizzo di opportuni dispositivi di comando operativamente connessi ai contatti mobili dell'interruttore e che forniscono l'energia necessaria a movimentare i contatti mobili stessi e a causarne l'accoppiamento/disaccoppiamento con i corrispondenti contatti fissi.

Allo stato attuale della tecnica, i dispositivi di comando utilizzati sono costituiti generalmente da sistemi di azionamento di tipo meccanico che utilizzano opportuni cinematismi a molla. L'associazione di tali dispositivi di comando con le due tecniche di interruzione impiegate, pur consentendo una adeguata esecuzione delle prestazioni richieste all'interruttore, comporta comunque alcuni inconvenienti e svantaggi.

In particolare, gli interruttori con tecnica di interruzione in aria e comando meccanico hanno una durata meccanica variabile da qualche migliaio fino ad un massimo di poche decine di migliaia di manovre, ed una durata elettrica decisamente inferiore, principalmente a causa della formazione di forti archi elettrici che deteriorano sensibilmente i contatti. Nel caso invece di associazione del comando meccanico con tecnica di interruzione sottovuoto, la durata elettrica aumenta sensibilmente, diventando praticamente dello stesso ordine di grandezza di quella meccanica. In entrambi i casi però, onde garantire la desiderata durata meccanica, è necessario programmare ed eseguire correttamente un articolato piano di manutenzione durante l'impiego dell'interruttore, in modo da compensare le variazioni dovute ad usura ed invecchiamento tipiche dei sistemi meccanici. Chiaramente tale piano di manutenzione impone la messa fuori servizio dell'interruttore, l'impiego di manodopera con conseguente dispendio di tempi e costi e diventa particolarmente gravoso in tutte quelle applicazioni in cui è fondamentale garantirsi da interruzioni impreviste, quali ad esempio nelle industrie di processo.

E' poi da sottolineare che i dispositivi di comando con cinematismi a molla sono di per sè estremamente complessi e ingombranti; inoltre il dimensionamento dell'energia meccanica che devono sviluppare è commisurata alle diverse prestazioni elettriche dell'interruttore in cui sono impiegate, ad esempio potere di interruzione in corto circuito, corrente nominale etc., e richiede lunghe e complesse operazioni di prova e taratura.

Compito precipuo del presente trovato è quello di realizzare un interruttore di potenza per bassa tensione che abbia una vita utile più lunga rispetto agli interruttori di tipo noto e permetta al contempo di eliminare completamente, o almeno ridurre in maniera significativa, gli interventi di manutenzione richiesti a garantire detta vita utile stessa.

Nell'ambito di questo compito, uno scopo del presente trovato è quello di realizzare un interruttore di potenza per bassa tensione la cui vita utile sia considerevolmente superiore a quella degli interruttori dell'arte nota, presentando in particolare una durata meccanica ed elettrica massimizzate e di valore praticamente uguale tra loro.

Un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare un interruttore di potenza per bassa tensione che abbia una architettura realizzativa di complessità decisamente ridotta rispetto agli interruttori di tipo noto.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di realizzare un interruttore di potenza per bassa tensione 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 interruttore di potenza per bassa tensione, comprendente un involucro sottovuoto contenente almeno un contatto fisso ed almeno un contatto mobile reciprocamente accoppiabili/disaccoppiabili fra loro in corrispondenza di una condizione di chiusura/apertura dell'interruttore, mezzi attuatori operativamente collegati al contatto mobile che forniscono l'energia necessaria a movimentare il contatto mobile stesso e a determinarne l'accoppiamento/disaccoppiamento con detto contatto fisso, caratterizzato dal fatto che detti mezzi attuatori comprendono un attuatore elettromagnetico. In questo modo, utilizzando un comando di tipo elettromagnetico ed eseguendo le manovre di apertura/chiusura sottovuoto si ha il duplice vantaggio di aumentare significativamente la vita utile dell'interruttore e contemporaneamente eliminare, o almeno ridurre significativamente i necessari interventi di manutenzione durante l'impiego dell'interruttore; infatti, l'attuatore di tipo elettromagnetico è praticamente esente dai problemi di usura e invecchiamento tipici degli attuatore meccanici.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione, preferita ma non esclusiva, di un interruttore di potenza per bassa tensione secondo l'invenzione, illustrata a titolo indicativo e non limitativo con l'ausilio degli uniti disegni in cui:

la figura 1 rappresenta schematicamente un interruttore di potenza per bassa tensione secondo l'invenzione,·

la figura 2 rappresenta schematicamente un attuatore elettromagnetico impiegabile nell'interruttore secondo l'invenzione.

Con riferimento alla figura l, l’interruttore di potenza per bassa tensione secondo il trovato, indicato complessivamente dal numero di riferimento 100, comprende un involucro sottovuoto 1, al cui interno sono posizionati almeno un contatto fisso 7 ed almeno un contatto mobile 6. In particolare, l'involucro sottovuoto 1, che costituisce la camera di interruzione dell'interruttore, può essere costituito da una ampolla opportunamente configurata al cui interno è mantenuto il vuoto; sia la forma di realizzazione dell'ampolla che le modalità secondo le quali viene mantenuto il vuoto all'interno di essa sono ampiamente note nella tecnica e per questo non verranno ulteriormente descritte.

Il contatto fisso 7 è elettricamente connesso mediante l'impiego di comuni mezzi conduttori 4, ad esempio una barra in rame, con un'utenza da alimentare, non illustrata in figura; a sua volta, il contatto mobile 6 è elettricamente connesso mediante mezzi conduttori 5 ad una linea di alimentazione, anch'essa non illustrata in figura. Tali mezzi conduttori 5 possono essere costituiti da un insieme di bandelle metalliche flessibili impaccate tra loro e forate alle estremità opposte in modo da accogliere mezzi di connessione con il contatto mobile 6 e con la linea di alimentazione. Come schematicamente illustrato in figura 1, le bandelle metalliche sono disposte in modo da dar luogo ad una spira disposta sostanzialmente ad U; in questo modo, al verificarsi di una condizione di corto circuito, sui due rami della spira ad U si sviluppano due forze di direzione contraria tra loro e dirette in modo tale da contrastare le forze di repulsione che si generano durante il corto circuito e che tendono a separare i contatti. In questo modo le bandelle permettono di tenere chiusi i contatti per un breve intervallo iniziale del corto circuito, durante il quale si può avere ad esempio l'intervento di un altro interruttore eventualmente inserito nella rete di alimentazione, evitando così interventi intempestivi e la messa fuori servizio di utenze che potrebbero invece continuare ad operare correttamente. Trascorso questo intervallo, se nessun altro interruttore qualora presente è intervenuto, si ha la separazione dei contatti.

Le manovre di chiusura/apertura dell'interruttore 100 vengono effettuate movimentando il contatto mobile 6 in modo da determinare il suo impegno/disimpegno con il corrispondente contatto fisso 7; l'energia necessaria all'effettuazione di tali manovre è fornita da opportuni mezzi di attuazione che sono operativamente connessi al contatto mobile 6 tramite una catena cinematica, indicata complessivamente in figura 1 dal numero di riferimento 3. Nella forma di realizzazione illustrata in figura 1, per semplicità descrittiva è rappresentato un solo polo dell’interruttore 100.

Vantaggiosamente, nella forma di realizzazione dell'interruttore di potenza per bassa tensione secondo il trovato, i mezzi di attuazione comprendono un attuatore elettromagnetico 2; l'impiego di un attuatore di questo tipo consente di aumentare considerevolmente la vita utile dell'interruttore in quanto non presenta i problemi di possibile usura e/o danneggiamento tipici degli attuatori di tipo meccanico, permettendo in particolare di rendere la durata elettrica dell'interruttore praticamente uguale a quella meccanica. Inoltre, l'attuatore elettromagnetico garantisce la corretta esecuzione delle manovre di apertura/chiusura dell’interruttore senza richiedere alcun intervento di manutenzione nel corso della sua vita utile, o almeno per un numero di manovre sensibilmente elevato.

In una forma preferita di realizzazione, l'attuatore elettromagnetico 2 è un attuatore elettromagnetico a magneti permanenti. Una possibile forma di realizzazione dell'attuatore a magneti permanenti 2 è illustrata nel brevetto italiano Nr. 1287151 la cui descrizione è qui da intendersi inclusa come riferimento. In particolare, come illustrato in figura 2, l'attuatone a magneti permanenti 2 comprende un giogo magnetico 10, un'armatura 30 mobile all'interno dello spazio definito dal giogo 10 e un pem etto 20 fissato all'armatura 30 e atto a trasmettere il movimento alla catena cinematica 3, e quindi in definitiva al contatto mobile 6.

L'armatura mobile 30 può essere variamente sagomata in funzione delle applicazioni e/o delle specifiche necessità e può essere realizzata in un unico corpo in materiale ferromagnetico o con una pluralità di lamierini magnetici sovrapposti. A sua volta, il giogo 10 è costituito da due parti di nucleo, rispettivamente 40 e 50, aventi profilo ad E, che sono montate su un opportuno supporto non illustrato in figura, in modo che tra esse vengano a crearsi due traferri in aria, rispettivamente 18 e 19. Sulle superfici affacciate dei due bracci intermedi 13 e 23 dei nuclei 40 e 50 sono montati due magneti permanenti, rispettivamente 26 e 27; inoltre, negli spazi definiti tra il braccio centrale 13 e 23 e i due bracci di estremità, rispettivamente 41 e 22, dei nuclei 40 e 50, sono posizionate due bobine di eccitazione 44 e 45.

In pratica, quando è necessario aprire o chiudere l'interruttore, a seconda del tipo di manovra da eseguire viene eccitata elettricamente una delle due bobine, ad esempio la bobina 44; l'energia di eccitazione viene fornita alla bobina 44 da una unità di alimentazione indicata schematicamente in figura 1 dal numero di riferimento 8, e che comprende preferibilmente uno o più condensatori, opportunamente dimensionati e alimentati dalla rete elettrica di alimentazione o da una sorgente ausiliaria di energia elettrica. L'unità di alimentazione 8 è operativamente asservita ad una unità elettronica di comando 9, collegata anch'essa alla rete di alimentazione; tale unità elettronica di comando 9, in funzione di un comando di intervento, proveniente ad esempio da un sistema di protezione o da un operatore, provoca l'intervento dell'unità di alimentazione 8; in tal modo, i condensatori si scaricano energizzando la bobina.

Il flusso generato dalla bobina eccitata elettricamente consente di vincere la forza di ritenuta esercitata dai magneti permanenti 26 e 27 sull'armatura mobile 30 e di determinare il movimento di essa nella direzione della bobina eccitata stessa 44. In tal modo, il pem etto 20 trasla e trasmette il movimento alla catena cinematica 3. Come illustrato schematicamente in figura 1, la catena cinematica 3 comprende una coppia di bielle 35 e 36 che trasmettono il moto dal pem etto 20 ad una leva di trasmissione 37; tale leva di trasmissione 37, ruotando attorno al suo punto di infulcraggio 38, determina lo spostamento di un perno di accoppiamento 39 ad essa solidale e che è connesso al contatto mobile 6; in questo modo si ha lo spostamento di quest'ultimo con conseguente esecuzione della manovra richiesta. Chiaramente, in funzione delle applicazioni e/o di specifiche necessità realizzative, la catena cinematica 3 può essere opportunamente modificata, variando ad esempio il numero dei suoi componenti realizzativi, il loro posizionamento relativo e/o la loro configurazione geometrica.

Una volta eseguita la manovra, la bobina 44 è diseccitata e i magneti permanenti ritornano ad esercitare una forza di tenuta sull'armatura 30 mantenendola in equilibrio stabile nella posizione raggiunta. L'esecuzione di una manovra di senso opposto a quella appena descritta viene realizzata in modo esattamente uguale e contrario, eccitando in tal caso la bobina 45 .

Chiaramente, l'impiego di un attuatore così realizzato permette di semplificare decisamente l'architettura costruttiva dell'interruttore rispetto allo stato attuale della tecnica,· inoltre è da sottolinearsi il fatto che l'utilizzo di una tecnica interruttiva sottovuoto non richiede eccessive forze di manovra, per cui l'accoppiamento di tale tecnica interruttiva con un comando elettromagnetico dà luogo ad un effetto sinergico che permette di ottimizzare ulteriormente il dimensionamento geometrico ed energetico dell'interruttore nel suo complesso.

Alternativamente, potrebbe essere utilizzato un attuatore elettromagnetico senza magneti permanenti? in questo caso però, l'attuatore deve essere dotato di un sistema atto a mantenere in equilibrio stabile il pernetto 20 in corrispondenza delle posizioni raggiunte a fine manovra, contrariamente a quanto avviene con l'impiego dei magneti permanenti in cui tale funzione avviene automaticamente e senza utilizzo di componenti aggiuntivi.

Per semplicità descrittiva, in figura 1 è illustrato un interruttore con un solo polo? la soluzione precedentemente descritta è comunque facilmente ed efficacemente implementabile nel caso di un interruttore di potenza multipolare. In tal caso, per ogni polo è previsto l'impiego di un involucro sottovuoto 1 al cui interno sono posizionati almeno un contatto fisso 6 ed almeno un contatto mobile 7. Ogni contatto mobile 6 è operativamente collegato a mezzi attuatori atti a fornire l'energia necessaria a movimentare i contatti mobili stessi e a determinarne l'accoppiamento/disaccoppiamento con i corrispondenti contatti fissi. In tal caso i mezzi attuatori prevedono l'impiego di un unico attuatore elettromagnetico 2, un albero di manovra operativamente connesso a detto attuatore elettromagnetico 2 e, per ciascun polo, una catena cinematica 3 atta a collegare ciascun contatto mobile con detto albero di manovra. In tale forma di realizzazione, le manovre di apertura/chiusura dell'interruttore avvengono contemporaneamente per tutti i poli in maniera analoga a quanto descritto precedentemente .

Alternativamente, si potrebbe comunque impiegare un singolo attuatore elettromagnetico 2 per ogni polo.

Si è in pratica constatato come l'interruttore di potenza per bassa tensione secondo il trovato assolva pienamente il compito nonché gli scopi prefissati in quanto presenta tuia vita utile aumentata rispetto agli interruttori di tipo noto senza praticamente richiedere interventi di manutenzione, con conseguente beneficio in termini tecnici ed economici.

Da non trascurare è il fatto che tutte le funzioni innovative e gli aspetti inventivi dell'interruttore sono ottenibili utilizzando elementi e materiali di comune reperibilità in commercio con costi estremamente contenuti, secondo una soluzione costruttiva più semplice e compatta rispetto all'arte nota.

L'interruttore 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 (6)

1. R IV E N D IC A Z IO N I 1. Interruttore di potenza per bassa tensione, comprendente un involucro sottovuoto contenente almeno un contatto fisso ed almeno un contatto mobile reciprocamente accoppiabili/disaccoppiabili fra loro in corrispondenza di una condizione di chiusura/apertura dell'interruttore, mezzi attuatori operativamente collegati al contatto mobile che forniscono l'energia necessaria a movimentare detto contatto mobile e a determinarne l'accoppiamento/disaccoppiamento con detto contatto fisso, caratterizzato dal fatto che detti mezzi attuatori comprendono un attuatore elettromagnetico.
2. 2. Interruttore di potenza per bassa tensione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto attuatore elettromagnetico è un attuatore elettromagnetico a magneti permanenti.
3. 3 . Interruttore di potenza per bassa tensione secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di bandelle metalliche flessibili collegate elettricamente a detto contatto mobile e ad una rete di alimentazione elettrica, dette bandelle metalliche essendo atte, in corrispondenza di una condizione di corto circuito, a contrastare la forza di repulsione che si sviluppa tra il contatto mobile e il contatto fisso, mantenendo detti contatti fisso e mobile accoppiati tra loro almeno per una fase iniziale del cortocircuito stesso.
4. 4. Interruttore di potenza per bassa tensione secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una unità elettronica di comando che, a seguito di un comando di intervento, determina l'intervento di una unità di alimentazione atta ad energizzare detto attuatore elettromagnetico.
5. 5 . Interruttore di potenza per bassa tensione secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta unità di alimentazione comprende uno o più condensatori.
6. 6. Interruttore multipolare di potenza per bassa tensione comprendente per ciascun polo, un involucro sottovuoto contenente almeno un contatto fisso ed almeno un contatto mobile reciprocamente accoppiabili/disaccoppiabili fra loro in corrispondenza di una condizione di chiusura/apertura dell'interruttore, mezzi attuatori operativamente collegati a detto almeno un contatto mobile di ciascun polo che forniscono l'energia necessaria a movimentare detto almeno un contatto mobile e a determinarne l'accoppiamento/disaccoppiamento con detto almeno un corrispondente contatto fisso, caratterizzato dal fatto che detti mezzi attuatori comprendono un attuatore elettromagnetico, un albero di manovra operativamente connesso a detto attuatore elettromagnetico e, per ciascun polo, una catena cinematica atta a collegare ciascun contatto mobile con detto albero di manovra.