OPIS PATENTOWY Nr 45676 KI. 21 c, 45/01 Instytut Elektrotechniki *) Warszawa, Polska Stycznik z elektromagnesem napedowym impulsowym na prad zmienny Patent trwa od dnia 21 grudnia 1960 r.Styczniki z elektromagnesem napedowym na prad zmienny dotychczasowej budowy, to jest z rdzeniem i zwora wykonanymi ze znitowa- nych wykrojów z cienkiej blachy transformato¬ rowej, wyposazone w pierscienie do tlumienia drgan, maja szereg znanych wad. Posiadaja mianowicie niedostateczna trwalosc mechanicz¬ na, wynikajaca z latwego rozbijania cienkich blach rdzenia i zwory w czasie kazdego zala¬ czenia, zwlaszcza w duzych stycznikach, a tak¬ ze ze zjawiska pekania pierscieni tlumiacych.Odznaczaja sie poza tym stosunkowo duzym ciezarem nieruchomego rdzenia i ruchomej zwory. Duzy ciezar jest konieczny do otrzyma¬ nia odpowiedniej sily przyciagania ze wzgledu na to, ze nie jest mozliwe stosowanie wysokiej indukcji w stali, peniewaz ze wzrostem induk¬ cji znacznie wzrasta prad magnesujacy, a takze straty w stali wywolane histereza i pradami *) Wlasciciel patentu oswiadczyl, ze wspól¬ twórcami wynalazku sa docent inz. Jakub Elbaum i mgr inz. Janusz Hilgier. wirowymi oraz straty w miedzi uzwojenia, a z tymi stratami — temperatura rdzenia i u- zwojen, która ograniczaja przepisy. Duzy ciezar elektromagnesu powoduje, ze i ciezar stycznika jest duzy, poniewaz ciezar elektromagnesu sta¬ nowi nieraz do 70% ciezaru calego stycznika, a poza tym duzy ciezar zwory zwieksza ten¬ dencje do odskoków styków przy zalaczaniu.W elektromagnesach o takiej budowie wyste¬ puja stosunkowo znaczne drgania zwory w sta¬ nie przyciagnietym, pomimo zastosowania piers¬ cieni tlumiacych i ewentualnej szczeliny prze- ciwdrganiowej. Drgania te, nawet przy zupel¬ nie prawidlowo dobranych pierscieniach tlu¬ miacych, sa powodowane przez periodyczna zmiane punktu dzialania wypadkowej sily przy¬ ciagania miedzy zwora i rdzeniem z czestoscia odpowiadajaca podwójnej czestotliwosci pradu zasilajacego uzwojenie elekromagnesu, przy czym wartosc tej sily wypadkowej zmienia sie w tym samym okresie od pewnego maksimum do minimum, które jest co najmniej dwukrotnie mniejsze. Drgania te powoduja drgania stykówi czesci mechanizmu przyspieszajac ich nisz¬ czenie oraz wywolujac przykry szum, utrud¬ niajacy prace ludzka, zwlaszcza w pomiesz¬ czeniach, w których zainstalowano wieksza liczbe styczników. Drgania te znacznie wzra¬ staja przy kazdym spadku napiecia w sieci, przy czym szum zamienia sie nieraz w glosne warczenie. Czesto wystepuje tez klejenie sie zwory elekromagnesu stycznika wskutek ma¬ gnetyzmu szczatkowego, wzrastajace stopniowo w miare zuzywania sie przy pracy powierzchni zwory i rdzenia, o ile zastosowano szczeline dodatkowa przeciw klejeniu sie.Elektromagnesy te pobieraja stosunkowo znaczna moc przy bardzo niskim wspólczynni¬ ku mocy (0,1—0,3). Kazdy elektromagnes po¬ biera wprawdzie niezbyt wielka moc, jednako¬ woz w skali ogólnej stanowi to powazne zu¬ zycie energii elektrycznej bez wykonywania zadnej pracy uzytecznej, a jedynie na utrzy¬ mywanie przyciagnietych zwór setek tysiecy elektromagnesów. Energia ta zamienia sie w cieplo, którego wydzielanie w elektromagnesie jest niezmiernie szkodliwe dla jego izolacji, a zatem powoduje koniecznosc zuzywania znacznych ilosci miedzianego drutu nawojowe¬ go tylko ze wzgledu na ciagle nagrzewanie, a poza tym powoduje podgrzewanie innych czesci stycznika, co w calym szeregu konstrukcji, zwlaszcza styczników w obudowach, utrudnia utrzymanie przepisanego przyrostu temperatu¬ ry. Koszt materialów uzywanych do wykonania rdzenia i zwory elektromagnesu z nakrzemio- nych blach jest wysoki. Cienka nakrzemiona blacha transformatorowa jest droga, a ilosc jej zuzywana na wykonanie elektromagnesu — stosunkowo duza, takze ze wzgledu na znaczne odpady.Technologia wykonania elektromagnesów o stosowanej dotychczas konstrukcji jest kosztow¬ na. Wykrawanie twardych i kruchych blach transformatorowych, ich izolowanie, skladanie, nitowanie, frezowanie zlobków pod pierscienie tlumiace, szlifowanie, wykonywanie i mocowa¬ nie pierscieni tlumiacych z uwzglednieniem specjalnych zabiegów przeciw ich pekaniu sta¬ nowia najtrudniejsze i najkosztowniejsze za¬ biegi przy produkcji styczników. Korpusy ce¬ wek z prostokatnym otworem wymagaja kosz¬ townych form do prasowania. Nawijanie uzwo¬ jen na nieokraglym korpusie wymaga ograni¬ czenia predkosci obrotów nawijarki i powoduje pewne pogorszenie izolacji miedzyzwojowej na „zalamaniach", a wiec wymaga znacznej liczby izolacyjnych przekladek miedzywarstwowych.Wymienione przyczyny powoduja, ze koszt elek¬ tromagnesu stanowi w wielu stycznikach polo¬ we, a nieraz i znacznie wieksza czesc kosztu calego stycznika W celu unikniecia niektórych wad styczni¬ ków z elektromagnesem napedowym na prad zmienny, a zwlaszcza drgan zwory i znacznego ciaglego poboru mocy wytwarza sie tak zwane styczniki remanentacyjne o budowie w zasa¬ dzie identycznej ze zwyklymi, lecz dzialajace w taki sposób, ze w koncu ruchu zwory prad w uzwojeniu elektromagnesu zostaje wylaczony i zwora jest utrzymywana w stanie przyciagnie¬ tym dzieki magnetyzmowi szczatkowemu. Zwol¬ nienie zwory zostaje wywolane przez dodatkowy impuls pradu rozmagnesowujacego. W tych stycz¬ nikach w pewnej mierze klejenie sie zwory zostaje zlikwidowane, a zjawisko wywolujace je zostaje zuzytkowane do dzialania elektro¬ magnesu.Jednakowoz opisany efekt zostaje w stycz¬ nikach remanentacyjnych osiagniety kosztow¬ nymi srodkami, a mianowicie: zastosowaniem na rdzen i zwore bardzo kosztownej blachy o specjalnej charakterystyce magnetycznej w celu powiekszenia indukcji szczatkowej, a tak¬ ze zastosowaniem do przerywania pradu za¬ silajacego elektromagnes specjalnego lacznika, albo specjalnego, zlozonego i kosztownego u- kladu elektrycznego umozliwiajacego przery¬ wanie pradu w uzwojeniu za kazdym razem z bardzo wysoka dokladnoscia w odpowiedniej fazie, a to w celu zapewnienia dostatecznej wartosci indukcji magnetycznej w chwili wy¬ laczenia pradu, z czym zwiazana jest dosta¬ teczna wartosc indukcji szczatkowej i sily, z która zwora bedzie utrzymywana po wylacze niu zasilania.Styczniki remanencyjne nadaja sie tylko do malej czestosci dzialania. Wymienione cechy budowy styczników remanencyjnych stanowia ich powazna wade, powoduja, ze styczniki te sa drozsze od zwyklych, a poza tym zlozony uklad sterowania nimi czesto zawodzi, zwlasz¬ cza przy spadku napiecia w sieci. Mala cze¬ stosc dzialania znacznie ogranicza zastosowa¬ nie stycznika.Stycznik z elektromagnesem napedowym na prad zmienny impulsowy wedlug wynalazku pozwala usunac wszystkie wady wymienione dla styczników zwyklych i nie ma wymienio¬ nych powyzej wad stycznika remanencyjnego.Istota wynalazku jest zastosowanie elektro¬ magnesu napedowego z rdzeniem i zwora wy¬ konanymi z jednolitej stali pospolitej jakosci -•-albo dowolnej' innej, lub zeliwa, przy czym znaczne, wynikajace z tego, powiekszenie strat w rdzeniu i zworze zostaje wykorzystane do sterowania wartoscia indukcji magnetycznej w chwili wylaczenia pradu zasilajacego. Po¬ wiekszenie strat powoduje znaczne przesuniecie fazowe miedzy pradem zasilajacym elekroma- gnes i strumieniem magnetycznym, dzieki cze¬ mu w chwili, gdy prad zasilajacy przechodzi przez zero, strumien magnetyczny ma wartosc bliska maksymalnej. • Po przeciagnieciu zwory przez elektromagnes lub tuz przed koncem jej ruchu, prad zasilaja¬ cy elektromagnes zostaje wylaczony przez przycisk lub inny lacznik sterowniczy, albo za pomoca styków pomocniczych stycznika, po czym zwora jest utrzymywana w stanie przy¬ ciagnietym przez magnetyzm szczatkowy. Do¬ stateczna wartosc strumienia magnetycznego, a wiec \ sily przyciagania w tym stanie jest zapewniona dzieki temu, ze luk pradu zmien¬ nego gasnie przy naturalnym przejsciu pradu przez,zero, albo bardzo blisko tej chwili, a wte¬ dy,, jak wyzej wspomniano, strumien magne¬ tyczny ma wartosc bliska maksymalnej, a wiec i magnetyzm szczatkowy pozostaje duzy bez potrzeby stosowania specjalnych materialów magnetycznych.Dzieki wylaczaniu zasilania w elektromagne¬ sie stycznika wedlug wynalzaku mozna znacz¬ nie podwyzszyc indukcje magnetyczna, a wiec zmniejszyc przekrój i ciezar rdzenia i zwory.Wykorzystujac zjawisko niewielkiej glebokosci przenikania zmiennego strumienia magnetycz¬ nego w glab masywnego rdzenia, mozna jesz¬ cze bardziej zmniejszyc ciezar i powiekszyc si¬ le przyciagania po wylaczeniu pradu przez za¬ stosowanie wydrazonego rdzenia, najlepiej w postaci cienko — lub grubosciennej rury stalowej. W ten sposób ciezar stali elektroma¬ gnesu moze byc kilkakrotnie mniejszy niz w stycznikach zwyklych.Ciezar miedzi na uzwojenie elektromagnesu stycznika wedlug wynalazku zalezy tylko od znamionowej czestosci pracy i mpze byc do niej w przyblizeniu proporcjonalny. Ciezar ten dla niewielkich znamionowych czestosci pracy stycznika moze byc kilkakrotnie mniejszy niz dla styczników zwyldych, dla najwiekszych, zas stosowanych czestosci moze byc nieco mniejszy niz dla styczników zwyklych. Stycznik jest poza tym zupelnie nieczuly na znaczne nawet spadki napiecia.Rdzen i zwóra elektromagnesu stycznika we¬ dlug Wynalazku moga byc wykonywane z jed¬ nej czesci, skrecane, spawane lub zgrzewane z kilku czesci, np. z rur i plaskowników, pra¬ sowane, odkuwane, odlewane lub wytwarzane z zastosowaniem dowolnej innej technologii.Kolumny rdzenia moga byc okragle, dzieki czemu mozna zastosowac korpusy cewek o o- tworze okraglym nie wymagajace kosztownych form do prasowania i ulatwiajace oraz przy¬ spieszajace nawijanie uzwojenia. t Elektromagnes stycznika wedlug wynalazku jest kilkakrotnie tanszy od zwyklego, dzieki czemu koszt stycznika wedlug wynalazku moze zostac znacznie obnizony. Jednoczesnie trwalosc cieni tlumiacych, a moze byc jeszcze zwiekszona wieksza, gdyz nie zawiera on blach, ani piers¬ cieni tlumiacych, a moze byc jeszczo zwiekszona przez naweglenie i utwardzenie powierzchni rdzenia i zwory. . <•: ;: Dzieki zastosowaniu masywnego rdzenia elek¬ tromagnes stycznika wedlug wynalazku nie wymaga zastosowania specjalnego lacznika, ani zadnego specjalnego ukladu do wylaczania pradi zasilajacego w scisle 'okreslonej fazie pradu i zupelnie wystarcza przerywanie (Obwodu przez dowolny lacznik elektryczny, gdyz dla elektromagnesu stycznika wedlug wynalazku nie ma znaczenia, by faza pradu przy Wylacze¬ niu byla za kazdym razem dokladnie ta sama.Wynika to z wyzej wspomnianego faktu, ze w elektromagnesie stycznika wedlug1 wynalazku wystepuje, dzieki duzym stratom mocy w4 za¬ stosowanym rdzeniu i1 zworze, znaczne prtefeu^ niecie fazy miedzy pradem a strumieniem ma¬ gnetycznym. Chwilowa .wartosc strumienia Aa* gnetyczriego w chwili wylaczania pradu, to znaczy w chwili gdy wartosc pradu przechodzi przez zero, jest proporcjonalna do sinusa kata miedzy pradem a strumieniem. Dla chizych ka¬ tów (okolo 60°) wartosc sinusa zmienia sie za¬ ledwie o 1% przy zmianie kata o 1°, a wiec rozrzut czasów wylaczania o ± 5° fazowych powoduje zmiane strumienia w chwili wyla¬ czania zaledwie o ± 5°/t.Taka zmiana strumienia powoduje znacznie mniejsza zmiane indukcji szczatkowej, a wiec i stosunkowo niewielka zmiane sily przyciaga¬ nia zwory po wylaczeniu zasilania. Dokladnosc wylaczania w granicach + 5° od naturalnego przejscia wartosci pradu przez zero zapewnia kazdy lacznik niskonapieciowy, jak na przyklad zwykly przycisk uzywany do sterowania stycz¬ nikami, albo styki pomocnicze dowolnego stycz¬ nika, albo dowolny mikrolacznik.,.Bo zwalniania zwory elektromagnesu styez- nika wedlug wynalazku stosuje sie impuls pra¬ du zmiennego o wartosci ograniczonej przez opornik, albo impuls z naladowanego konden¬ satora, przy czym tolerancja wartosci pradu moze wynosic kilkaset •/•.. Gdy odpowiednio opornik ograniczajacy im¬ puls jest wbudowany do przycisku sterowni¬ czego lub do ukladu odpowiedniej automatyki, to sterowanie stycznikiem moze byc realizowa¬ ne jednym tylko przewodem, którym moga byc do uzwojenia elektromagnesu wysylane za¬ równo wieksze impulsy pradu na zamykanie stycznika, jak i mniejsze — na jego otwieranie.Fig. 1 przedstawia wykres wektorowy pra¬ dów w uzwojeniu oraz strumienia magnetycz¬ nego elektromagnesu stycznika wedlug wyna¬ lazku w stanie, gdy zwora jest przyciagnieta.Wektor oznaczony Ijt przedstawia wartosc pra¬ du magnesujacego, czyli skladowa bierna pradu w uzwojeniu, wektor lu — wartosc pradu po¬ krywajacego straty w stali, czyli skladowa czynna pradu w uzwojeniu, I przedstawia cal¬ kowity prad w uzWojefciu, zas I1 — ten sam prad w zwyklym elektromagnesie, w którym nie ma duzego przesuniecia fazy miedzy pra¬ dem i strumieniem magnetycznym. Wektor o- znaczony przez 0 przedstawia strumien ma¬ gnetyczny w rdzeniu i zworze elektromagnesu.Kat oznaczony przez a przedstawia przesunie¬ cie fazowe miedzy pradem w uzwojeniu i stru- rflieniem. Wektor oznaczony przez 0O jest rzu¬ tem 0 na os prostopadla do kierunku I, czyli przedstawia wartosc chwilowa 0 w chwili gdy wartosc chwilowa pradu w uzwojeniu elektromagnesu stycznika wedlug wynalazku wynosjl O, przy czym 0O = 0sina • Wektor oznaczony przez 0lo jest rzutem 0 na os pro¬ stopadla do I1, czyli przedstawia wartosc ana¬ logiczna do 0O, lecz dla elektromagnesu stycz¬ nika zwyklego. Z wykresu wynika, ze 0O jest kilkakrotnie wieksze od 0lOt z czym zwiazana jest znacznie wieksza wartosc magnetyzmu szczatkowego po wylaczeniu pradu w chwili jego przejscia przez zero, a poza tym z wykre¬ su wynika, ze gdy wskutek wplywu lacznika przerywajacego prad I zasilajacy elektromagnes nastapi zgaszenie luku nieco przed naturalnym przejsciem pradu przez zero, nastapi powiek¬ szenie kata a o kilka stopni. Jak juz wspom¬ niano dla katów a nie mniejszych od 60° zmiana kata o ± 1° powoduje zmiane wartosci sina, a wiec w tym przypadku takze 1 war¬ tosci 0O nie wiecej niz o ± l#/t, a zatem za¬ stosowanie zupelnie dowolnego lacznika do przerywania pradu zasilajacego moze spowodo¬ wac co najwyzej wzrost magnetyzmu szczat¬ kowego o kilka procent Fig. Z przedstawia przyklad schematu stero¬ wania jednoprzewodowego stycznikiem wedlug wynalazku za pomoca przycisku, przy czym a, b, c oznaczaja zaciski sieci, do której dolaczo¬ ne sa styki glówne stycznika wedlug wynalaz¬ ku, przez M oznaczono uzwojenie elektroma¬ gnesu tego stycznika, przez p — pojedynczy przewód sterowniczy, przez Z — przycisk za¬ mykajacy do podawania impulsu na zamykanie stycznika, przez R — opornik ograniczajacy impulsy na otwieranie stycznika, a przez W — przycisk zamykajacy do podawania impulsu na otwieranie stycznika. O oznacza zacisk sieci sterowniczej pradu zmiennego o potencjale róz¬ nym od c.Po nacisnieciu przycisku Z otrzymuje sie obwód zasilania elektromagnesu od zacisku sie¬ ci c poprzez uzwojenie M, przewód sterowni¬ czy p, styki przycisku Z — do zacisku sieci sterowniczej O. Gdy elektromagnes przyciagnie zwore, zwalnia sie nacisk na przycisk Z, który powraca do polozenia otwartego, przerywajac obwód zasilania. Zwora jest utrzymywana przez magnetyzm szczatkowy. W celu otwarcia stycz¬ nika naciska sie przycisk W. Otrzymuje sie wtedy obwód rozmagnesowania od zacisku c poprzez uzwojenie M, przewód sterowniczy p, opornik ograniczajacy R, styki przycisku W do zacisku sieci sterowniczej O. Gdy zwora odpadhie puszcza sie przycisk W, który po¬ wraca €o polozenia otwartego i przerywa ob¬ wód rozmagnesowania, po czym stycznik jest gotów do nastepnego zadzialania.Fig. 3 przedstawia przyklad wykonanego elektromagnesu stycznika wedlug wynalazku.Zwora tego elektromagnesu, oznaczona przez 1, jest wykonana z plaskownika stalowego. Ko¬ lumny rdzenia, pokazane jedna w przekroju podluznym 2, a druga w widoku 5, sa wy¬ konane z rury stalowej i przyspawane od we¬ wnatrz (szew oznaczono przez 6) do jarzma 4, wykonanego z plaskownika stalowego. Uwidocz¬ nione w przekroju uzwojenie 3 jest wykonane z miedzianego drutu nawojowego izolowanego emalia z przekladkami papierowymi. Jest ono otasmowane, nasycone lafcterem izolacyjnym i osadzone na kolumnie bea korpusu izolacyj¬ nego PL