RU2195732C2 - Augmented electromagnetic operating mechanism of switching device - Google Patents
Augmented electromagnetic operating mechanism of switching deviceInfo
- Publication number
- RU2195732C2 RU2195732C2 RU2000130167A RU2000130167A RU2195732C2 RU 2195732 C2 RU2195732 C2 RU 2195732C2 RU 2000130167 A RU2000130167 A RU 2000130167A RU 2000130167 A RU2000130167 A RU 2000130167A RU 2195732 C2 RU2195732 C2 RU 2195732C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coil
- timer
- current
- drive
- switch
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Relay Circuits (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, в частности к форсированным электромагнитным приводам, включающим выключатели или контакторы большим пусковым током и удерживающим их во включенном положении небольшим током удержания. Приводы с форсировкой имеют существенно меньшие габариты и массы, чем приводы без форсировки при одних и тех же статических тяговых характеристиках. Особенно эффективно применение таких приводов для коммутационных аппаратов с вакуумными дугогасительными камерами из-за требуемых больших усилий поджатия их контактов. The invention relates to electrical engineering, in particular to forced electromagnetic drives, including switches or contactors with a large starting current and holding them in the on position with a small holding current. Forced drives have significantly smaller dimensions and weights than non-forced drives with the same static traction characteristics. The use of such drives for switching devices with vacuum interrupter chambers is especially effective because of the required large efforts to compress their contacts.
Предлагаемое изобретение позволяет открывать таймером через двухпозиционный переключатель управляемый электронный ключ, например транзистор, подавая тем самым напряжение питания к катушке электромагнита, на время включения привода, задаваемое или уставкой времени таймера, или концевым элементом привода, после чего двухпозиционный механический или электронный переключатель подсоединяет электрод управления указанного ключа к генератору прямоугольных импульсов, тем самым подключая катушку электромагнита периодически к источнику питания, причем частота и минимальный коэффициент заполнения импульсов определяются постоянной времени электромагнита и током удержания. The present invention allows the timer to open a controlled electronic key, for example, a transistor, through the on-off switch, thereby supplying voltage to the electromagnet coil, for the time the drive is turned on, set either by the timer setting or by the drive end element, after which the on-off mechanical or electronic switch connects the control electrode the specified key to the generator of rectangular pulses, thereby connecting the coil of the electromagnet periodically to the source Tanya, wherein the minimum frequency and duty cycle determined by the time constant of the electromagnet and current confinement.
Устройство содержит катушку электромагнита, управляемый электронный ключ, например в виде транзистора, таймер с уставкой по концевому положению привода и/или по времени, генератор прямоугольных импульсов с широтно-импульсной модуляцией, двухпозиционный переключатель - электронный и/или механический - с кинематической связью с приводом, шунтирующий катушку диод. Достигаемым техническим результатом является уменьшение потребляемой приводом от источника питания энергии, пропорциональной коэффициенту заполнения сигналов управления. The device contains an electromagnet coil, a controlled electronic key, for example, in the form of a transistor, a timer with a setting for the end position of the drive and / or time, a rectangular pulse generator with pulse-width modulation, a two-position switch - electronic and / or mechanical - with kinematic connection with the drive shunting coil diode. Achievable technical result is to reduce the energy consumed by the drive from the power source, proportional to the fill factor of the control signals.
Известен способ управления электромагнитным приводом (Б.Э. Коц. Электромагниты постоянного тока с форсировкой. М.: Энергия, 1973, с. 9, рис. 2, схема 3), по которому при подаче постоянного напряжения питания на последовательно соединенные катушку электромагнита и добавочное сопротивление включается, через таймер в виде RC-цепочки в цепи базы, управляемый электронный ключ в виде биполярного транзистора, шунтирующего это сопротивление. При этом к катушке прикладывается все напряжение питания на время включения привода, определяемое постоянной времени этой RC-цепочки. После заряда конденсатора и закрытия транзистора напряжение питания делится между активным сопротивлением катушки и добавочным сопротивлением, причем основная часть напряжения прикладывается к добавочному сопротивлению, так как ток удержания привода во включенном положении, определяемый суммой указанных сопротивлений, намного меньше пускового тока, что объясняется минимальным зазором в магнитной цепи электромагнита во включенном положении. A known method of controlling an electromagnetic drive (B.E. Kots. Forced DC electromagnets. M .: Energia, 1973, p. 9, Fig. 2, scheme 3), by which when a constant voltage is applied to a solenoid coil and the additional resistance is switched on, through a timer in the form of an RC circuit in the base circuit, a controlled electronic key in the form of a bipolar transistor, shunting this resistance. In this case, the entire voltage is applied to the coil for the time the drive is turned on, determined by the time constant of this RC circuit. After charging the capacitor and closing the transistor, the supply voltage is divided between the active resistance of the coil and the additional resistance, and the main part of the voltage is applied to the additional resistance, since the drive holding current, which is determined by the sum of the indicated resistances, is much less than the starting current, which is explained by the minimum gap in the magnetic circuit of the electromagnet in the on position.
Кроме указанного главного недостатка - непроизводительного расходования электроэнергии, аналог имеет и тот недостаток, что управляющий сигнал не будет прямоугольным из-за экспоненциального спада тока базы после включения привода, следовательно, необходимо применять более мощный транзистор. In addition to the indicated main drawback - unproductive consumption of electricity, the analogue has the disadvantage that the control signal will not be rectangular due to the exponential decrease in the base current after turning on the drive, therefore, it is necessary to use a more powerful transistor.
Третий недостаток - отсутствие концевого элемента по ходу привода, снимающего пусковой сигнал управления. Отсюда необходимость большого запаса временного интервала из-за нестабильности механической работы привода и, следовательно, излишний расход энергии при включении. The third drawback is the lack of an end element along the drive, which removes the trigger control signal. Hence the need for a large margin of the time interval due to the instability of the mechanical operation of the drive and, therefore, excessive power consumption when turned on.
Отключение привода происходит при снятии напряжения питания. The drive shuts off when the supply voltage is removed.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемым являются последовательность операций управления устройства электромагнитного привода коммутационного аппарата (патент РФ 2074430, H 01 F 7/08, Н 01 Н 47/32, 1997), Здесь так же, как в аналоге, при включении привода подают сигнал в цепь управляющего электрода транзистора - цепь базы. Снимается сигнал при срабатывании концевого замыкающего контакта или по уставке времени RC-цепочки при открывании порогово-ключевого элемента, например динистора, шунтирующего цепь базы транзистора. Указанные элементы можно рассматривать как таймер. При отключении транзистора накопленная в катушке индуктивная энергия поглощается активным сопротивлением катушки через шунтирующий ее диод. Эта схема имеет преимущества перед аналогом - дает прямоугольный импульс управления и уменьшает потребление энергии при включении за счет меньшего времени подачи управляющего сигнала, снимаемого концевым контактом. При использовании в схеме, вместо нелинейного, обычного резистора, рассчитанного на ток удержания, она аналогична ранее рассмотренной схеме с точки зрения последовательности операций управления. The closest in technical essence to the proposed are the control sequence of the device of the electromagnetic drive of the switching apparatus (RF patent 2074430, H 01
Предлагаемое решение позволяет устранить главный недостаток аналога и прототипа - непроизводительный расход энергии источника питания в длительном режиме включенного состояния коммутационного аппарата. Для этого в способе управления форсированным электромагнитным приводом, основанном на подаче сигнала управления на управляемый электронный ключ, в течение времени включения привода, после снятия этого сигнала на указанный ключ подается, на все время включенного состояния коммутационного аппарата, периодический импульсный сигнал управления с периодом следования и минимальным коэффициентом заполнения, определяемыми постоянной времени электромагнита и током удержания. The proposed solution allows to eliminate the main disadvantage of the analogue and prototype - unproductive power consumption of the power source in the long-term on state of the switching device. To do this, in the method of controlling a forced electromagnetic drive, based on the supply of a control signal to a controlled electronic key, during the drive turn-on time, after removing this signal, a periodic pulse control signal with the repetition period and for the entire state of the switching device is turned on minimum duty cycle, determined by the time constant of the electromagnet and the holding current.
В устройство, содержащее последовательно соединенные управляемый электронный ключ в виде, например, транзистора и катушку электромагнита с шунтирующим ее диодом, подсоединенные к источнику постоянного напряжения, к положительному полюсу которого подсоединен таймер, дополнительно введен двухпозиционный переключатель, первый вход которого подключен к выходу таймера, второй вход подключен к генератору периодических прямоугольных импульсов, подключенному к указанному источнику напряжения, а выход переключателя подсоединен к управляющему электроду указанного ключа. In a device containing a serially connected controlled electronic key in the form of, for example, a transistor and an electromagnet coil with a diode shunting it, connected to a constant voltage source, to the positive pole of which a timer is connected, a two-position switch is added, the first input of which is connected to the timer output, the second the input is connected to a generator of periodic rectangular pulses connected to the specified voltage source, and the output of the switch is connected to the control he electrode of said key.
Сущность предлагаемого способа поясняется временными диаграммами на фиг. 1, где:
на фиг.1а представлена диаграмма управляющего импульса таймера;
на фиг.1б - диаграмма управляющих импульсов генератора;
на фиг. 1в - диаграмма токов в катушке привода.The essence of the proposed method is illustrated by timing diagrams in FIG. 1, where:
on figa presents a diagram of the control pulse of the timer;
on figb is a diagram of the control pulses of the generator;
in FIG. 1c is a diagram of currents in a drive coil.
Фиг. 1а и 1б соответствуют временам приложения напряжения питания к катушке. FIG. 1a and 1b correspond to the times of application of the supply voltage to the coil.
На фиг. 1 обозначено:
Uп - прикладываемое к катушке напряжение питания;
i - ток в катушке;
im - установившийся ток в катушке, ограничиваемый ее активным сопротивлением;
iy - постоянный ток удержания;
Δi - колебания тока в катушке в длительном режиме удержания привода;
Т - период следования;
tи - длительность управляющих импульсов генератора;
to - начало, t1 - конец управляющего импульса таймера;
tоя - момент остановки якоря электромагнита.In FIG. 1 is indicated by:
U p - applied to the coil voltage;
i is the current in the coil;
i m is the steady-state current in the coil, limited by its active resistance;
i y is a constant holding current;
Δi - current fluctuations in the coil in a long drive holding mode;
T is the period of succession;
t and - the duration of the control pulses of the generator;
t o is the beginning, t 1 is the end of the control pulse of the timer;
t oya - the moment of stop of the armature of the electromagnet.
На фиг.2 представлено устройство, в котором может быть реализован предлагаемый способ, где обозначено:
1 - катушка электромагнита в виде активно-индуктивной нагрузки;
2 - управляемый электронный ключ в виде, например, транзистора;
3 - таймер;
4 - генератор прямоугольных импульсов;
5 - диод;
6 - переключатель механический или электронный;
7, 8 - входы переключателя;
9 - выход переключателя;
10 - пусковой контакт таймера.Figure 2 presents the device in which the proposed method can be implemented, where it is indicated:
1 - coil of an electromagnet in the form of an active-inductive load;
2 - controlled electronic key in the form of, for example, a transistor;
3 - timer;
4 - a generator of rectangular pulses;
5 - diode;
6 - mechanical or electronic switch;
7, 8 - switch inputs;
9 - switch output;
10 - timer start contact.
В устройстве катушка 1 соединена последовательно с коллектором транзистора 2. Свободный вывод катушки подсоединен к положительному полюсу источника питания, а эмиттер транзистора - к отрицательному полюсу. Диод 5 шунтирует катушку. Выход таймера 3, питающегося от этого же источника, подсоединен к первому входу 7 переключателя 6, второй вход 8 которого присоединен к выходу генератора прямоугольных импульсов 4, подключенному к тому же источнику питания; выход 9 переключателя подключен к базе - управляющему электроду транзистора. На входе таймер имеет включающий контакт 10. In the device, the coil 1 is connected in series with the collector of the transistor 2. The free output of the coil is connected to the positive pole of the power source, and the emitter of the transistor to the negative pole. Diode 5 shunts the coil. The output of the
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии - при отключенном приводе контакт 10 разомкнут и напряжение на базу транзистора 2 не подается, хотя переключатель 6 замкнут на таймер 3. Транзистор закрыт, и все напряжение питания прикладывается к нему. The device operates as follows. In the initial state, when the drive is disconnected,
При подаче команды на включение привода - замыкании контакта 10 - таймер начинает выдавать напряжение на базу транзистора, который открывается и находится в режиме насыщения во все время работы таймера. При этом к катушке 1 прикладывается почти все напряжение питания (за вычетом небольшого падения напряжения на транзисторе). Этому моменту соответствует время to на временных диаграммах фиг.1. Через катушку начинает протекать пусковой ток (фиг. 1в), якорь электромагнита начинает двигаться - начинается включение привода. В момент времени tоя якорь электромагнита останавливается. Перед этим начинает переключаться переключатель 6. Если он выполнен механическим, то время его переключения может занять несколько миллисекунд и вызвать рост тока в катушке до момента t1, которому соответствует отключение базы транзистора от таймера. После этого ток в катушке начинает спадать с большой постоянной времени, так как индуктивность включенного электромагнита максимальна и может составлять от долей до единиц генри. Время спада тока до тока удержания может составлять десятки миллисекунд. После переключения переключателя на генератор 4 периодических прямоугольных импульсов последние начинают подавать питание на базу транзистора, открывая его на время tи, составляющее небольшую долю времени периода Т импульсов. Этим импульсам соответствует частота приложения напряжения питания к катушке. Поэтому на спадающий ток будет накладываться периодическая составляющая, величина которой значительно меньше амплитуды пускового тока. Через некоторое время процесс изменения тока в катушке становится установившимся периодическим. Колебания тока Δi определяются частотой сигналов генератора импульсов и постоянной времени электромагнита: с ростом частоты и постоянной времени колебания тока уменьшаются; увеличение частоты ограничивается потерями при переключении транзистора и в магнитопроводе, а увеличение постоянной времени связано с увеличением расхода активных материалов электромагнита, его габаритов и времени включения.When a command is issued to turn on the drive — by closing
Минимальная величина тока в катушке должна быть выше постоянного тока удержания (пунктир на фиг.1в). В форсированных электромагнитах ток удержания на один-два порядка меньше установившегося тока im, определяемого активным сопротивлением катушки. Это объясняется тем, что включенный электромагнит развивает наибольшую силу при минимальном воздушном зазоре в магнитной цепи по сравнению с отключенным положением с максимальным зазором при фиксированной намагничивающей силе. До максимальной величины ток может возрасти, если вместо механического переключателя применить электронный, переключающийся от временной уставки таймера, выбираемой с запасом на временную нестабильность включения привода. На фиг.1а этому соответствует увеличение интервала t1-tоя.The minimum value of the current in the coil should be higher than the constant holding current (dashed line in figv). In forced electromagnets, the holding current is one to two orders of magnitude less than the steady-state current i m determined by the active resistance of the coil. This is due to the fact that the included electromagnet develops the greatest force with a minimum air gap in the magnetic circuit compared to the disconnected position with the maximum gap with a fixed magnetizing force. The current can increase to a maximum value if, instead of a mechanical switch, an electronic switch is used that switches from the time setting of the timer, which is selected with a margin to the temporary instability of the drive. On figa this corresponds to an increase in the interval t 1 -t oy .
Из диаграмм видно, что средний ток в режиме удержания пропорционален среднему напряжению на катушке (пунктир на фиг.1а), которое пропорционально коэффициенту заполнения импульсов Q=tи/Т. На фиг.1а штрихпунктиром показано напряжение, приложенное к катушке и балластному сопротивлению согласно схемам аналога и прототипа. При этом пунктир соответствует постоянному напряжению на катушке. Отсюда следует, что энергия, непроизводительно расходуемая на нагрев балластного сопротивления в режиме удержания привода, пропорциональна разности напряжений питания (штрихпунктир) и удержания (пунктир). То есть экономия потребляемой энергии в режиме удержания привода по предлагаемому способу и устройству по сравнению с аналогом и прототипом обратно пропорциональна коэффициенту заполнения управляющих импульсов.The diagrams show that the average current in the holding mode is proportional to the average voltage on the coil (dotted line in figa), which is proportional to the duty cycle of the pulses Q = t and / T. On figa the dot-and-dot line shows the voltage applied to the coil and the ballast resistance according to the schemes of the analogue and prototype. In this case, the dotted line corresponds to a constant voltage across the coil. It follows that the energy spent unproductively on heating the ballast in the drive holding mode is proportional to the difference between the supply voltage (dash-dot line) and the hold (dashed line). That is, the saving of energy consumed in the drive holding mode according to the proposed method and device compared with the analogue and prototype is inversely proportional to the fill factor of the control pulses.
В аналоге и прототипе выбор балластного сопротивления должен производиться с учетом колебания питающего напряжения, которое согласно стандартам может опускаться до 0,6Uп. Соответственно увеличиваются устанавливаемый ток удержания и потери электроэнергии. В предлагаемом изобретении достаточно выполнить генератор прямоугольных импульсов с широтно-импульсной модуляцией, поддерживающей в режиме удержания среднее напряжение на катушке неизменным независимо от напряжения питания привода. С уменьшением питающего напряжения увеличивается коэффициент заполнения импульсов и несколько возрастает Δi. Но колебания тока в катушке составляют несколько процентов от тока удержания при правильном выборе частоты импульсов генератора с учетом постоянной времени электромагнита привода. Следовательно, увеличение потребляемой энергии будет незначительно. Отсюда следует, что при использовании широтно-импульсной модуляции генерируемых сигналов управления получается максимальная экономия потребляемой приводом энергии в длительном режиме удержания.In the analogue and prototype, the choice of ballast resistance should be made taking into account fluctuations in the supply voltage, which according to standards can drop to 0.6U p . Accordingly, the set holding current and energy loss increase. In the present invention, it is sufficient to carry out a pulse-width-wave-pulse generator with pulse-width modulation, which, in the holding mode, maintains the average voltage on the coil unchanged regardless of the supply voltage of the drive. With a decrease in the supply voltage, the duty cycle of the pulses increases and Δi slightly increases. But the current fluctuations in the coil make up a few percent of the holding current with the right choice of the frequency of the generator pulses, taking into account the time constant of the drive electromagnet. Consequently, the increase in energy consumption will be negligible. It follows that when using pulse-width modulation of the generated control signals, maximum savings are obtained in the energy consumed by the drive in a long holding mode.
В качестве таймера может быть использована схема прототипа. В простейшем случае таймером может служить последовательная цепь из замыкающего контакта и токоограничивающего резистора в цепи базы транзистора при использовании механического концевого переключателя, кинематически связанного с электромагнитным приводом. As a timer, a prototype circuit can be used. In the simplest case, a timer can be a serial circuit of a make contact and a current-limiting resistor in the base circuit of the transistor using a mechanical limit switch kinematically connected to an electromagnetic drive.
Вместо биполярного транзистора может быть использован полевой. Тогда базе будет соответствовать затвор, а коллектору и эмиттеру - сток и исток. Instead of a bipolar transistor, a field effect can be used. Then the gate will correspond to the base, and the drain and the source will correspond to the collector and emitter.
Таким образом, из описания ясно, что, с технической точки зрения, принципиальное отличие предлагаемого изобретения от аналога и прототипа в режиме удержания заключается в использовании реактивного - индуктивного токоограничения вместо резистивного, вызывающего необратимые потери энергии. Thus, it is clear from the description that, from a technical point of view, the fundamental difference between the present invention and the analogue and prototype in the hold mode is the use of reactive - inductive current limitation instead of resistive, causing irreversible energy loss.
Примером может служить вакуумный контактор на номинальный ток 1500 А и номинальное напряжение 10 кВ с параметрами электромагнита:
Uп=110 В; Rкатушки=16 Ом; iy=0,1 А.An example is a vacuum contactor for a rated current of 1500 A and a rated voltage of 10 kV with the parameters of an electromagnet:
U p = 110 V; R coils = 16 ohms; i y = 0.1 A.
При использовании прототипа с учетом колебания напряжения питания и воздействия на привод внешних механических факторов ток удержания выбирался 0,34 А, балластное сопротивление rб=310 Ом, выделяемая энергия на балластное сопротивление около 36 Вт, на катушке - меньше 2 Вт.When using the prototype, taking into account the fluctuation of the supply voltage and the impact on the drive of external mechanical factors, the holding current was chosen 0.34 A, the ballast resistance r b = 310 Ohm, the energy released for the ballast resistance of about 36 W, on the coil less than 2 W.
С использованием предлагаемого изобретения:
Т= 1,11•10-3; Q=0,02; минимальное среднее напряжение на катушке в режиме удержания Uк=2,24 В, с запасом принято Uк=4 В, iу=0,25 А, выделяемая на катушке мощность - около 1 Вт. При Uп min=0,6Uп ном; tи=37•10-6 с.Using the invention:
T = 1.11 • 10 -3 ; Q = 0.02; the minimum average voltage on the coil in the holding mode is U k = 2.24 V, with a margin taken U k = 4 V, i y = 0.25 A, the power allocated to the coil is about 1 W. When U p min = 0,6U p nom ; t and = 37 • 10 -6 s.
Для быстродействующих выключателей экономия потребляемой приводом энергии будет в несколько раз больше. For high-speed circuit breakers, the energy savings of the drive will be several times greater.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000130167A RU2195732C2 (en) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | Augmented electromagnetic operating mechanism of switching device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000130167A RU2195732C2 (en) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | Augmented electromagnetic operating mechanism of switching device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2000130167A RU2000130167A (en) | 2002-11-27 |
RU2195732C2 true RU2195732C2 (en) | 2002-12-27 |
Family
ID=20242867
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000130167A RU2195732C2 (en) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | Augmented electromagnetic operating mechanism of switching device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2195732C2 (en) |
-
2000
- 2000-12-04 RU RU2000130167A patent/RU2195732C2/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN100422881C (en) | Solenoid-operated valve actuating controller | |
JP3018857B2 (en) | Electromagnetic device drive circuit | |
JP6442013B2 (en) | relay | |
RU2195732C2 (en) | Augmented electromagnetic operating mechanism of switching device | |
EP1417694B1 (en) | Electromagnet arrangement for a switch | |
CN216353938U (en) | Vacuum contactor of submerged arc furnace | |
JP2922294B2 (en) | Flyback current attenuator | |
RU112499U1 (en) | BISTABLE ELECTROMAGNETIC DRIVE OF SWITCHING DEVICE | |
CN111477501A (en) | Magnetic latching operating mechanism for direct opening of microcomputer protection device | |
KR100276020B1 (en) | High pressure pulse generator using nonlinear capacitor | |
GB2189940A (en) | Method of operating a multiple-electromagnet arrangement | |
RU2249271C2 (en) | Focused electromagnet control device | |
Davies et al. | Towards the control of contact bounce | |
CN219247502U (en) | Pulse capacitor charge-discharge control circuit | |
CN217239188U (en) | Electromagnet release circuit | |
RU196563U1 (en) | Arcless Electromechanical Contactor | |
CN117894635A (en) | Relay driving circuit | |
RU112493U1 (en) | ELECTROMAGNETIC DRIVE | |
RU2118866C1 (en) | Control device for reversing electromagnetic contactor | |
RU25958U1 (en) | ELECTROMAGNET CONTROL DEVICE | |
SU838764A1 (en) | Device switching-on dc electromagnet with boosting | |
JPS63102134A (en) | Heater | |
RU2262764C1 (en) | High-speed electromagnetic operating mechanism of switching device | |
JPH03172693A (en) | Drainage solenoid valve device | |
SU1756951A1 (en) | Device for connection of load to three-phase power supply source |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20101205 |