CC BY
12
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО
ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА
1966
Том 160
ВЕНТИЛЬНО МЕХАНИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДЛЯ КОММУТАЦИИ БОЛЬШИХ ИМПУЛЬСНЫХ МОЩНОСТЕЙ
В. В. ИВАШИН, А. И. ВЛУДОВ, А. М. ЕЛЕНКИН
(Представлена научным семинаром кафедр электрические машины
и общая электротехника)
В современной науке и технике все более широкое применение находят установки, где необходима коммутация больших мощностей. Например, в ускорительной технике и термоядерных исследованиях необходимо получать мощные импульсные магнитные поля с энергией в десятки миллионов джоулей. Токи в обмотках, создающих эти поля, могут достигать десятка тысяч и более амлар. В лабораториях разрывных мощностей от ударных генераторов 'Необходимо получать токи также в десятки и сотни тысяч ампер при .напряжении на генераторе 10 кв и более. Коммутировать такие toikh с помощью ионных вентилей практически -невозможно из-за недостаточной величины допустимого среднего и эффективного значения тока через каждый прибор и сравнительно -низкой их импульсной перегружаемо/сти [1].
Для коммутации больших токов в подобных случаях разрабатывались различные механические устройства, обладающие большой импульсной перегружаемостью и незначительными потерями энергии на переходном сопротивлении контактов, что определяло их небольшие габариты. Впервые механический контактный аппарат был разработан П. Л. Капицей для целей включения и выключения ударного генератора на индуктивную нагрузку [2]. Операция включения контактов в нуль э.д.с. генератора и отключения при первом проходе тока нагрузки через нулевое значение обеспечивалось с помощью специального кулачкового механизма, жестко связанного с валом генератора.
Двойной контактный зазор 1 мм выбирался за время 0,3-Ю-3 сек. Небольшая дуга, возникающая на контактах из-за невозможности добиться точной механической синхронизации и мгновенного выключения контактов, гасилась с помощью дутья. Напряжение генератора было 2250 в, максимальная величина тока — 72000 а, длительность первого импульса тока—18*10—3 сек. Коммутирующий аппарат выдержал несколько тысяч операций без серьезных повреждений. Недостатками аппарата является наличие многих подвижных частей, трудность синхронизации при изменении режима работы, наличие дуги и невозможность работы при напряжениях 10-г15 кв.
В [3] описаны контактные аппараты, которые разрабатывались для коммутации тока 50 и 150 ка при напряжениях 500 в и 2000 в. Привод в этих аппаратах был применен электромагнитный.
В [4] описана конструкция аппарата для включения ударного генератора, работающего в лаборатории большой мощности для испытания высоковольтной аппаратуры. Контакты имеют пружинный привод, рассчитаны на токи до 120 ка и работают под давлением воздуха 6 атм.
OS ï
7. Заказ 7780.
97
Собственное время срабатывания 29-Ю-3 сек, скорость контактов при включении — 4 ль/сек, вес аппарата около 1,5 т.
В [5] описаны различные конструкции ¡включающих аппаратов, выполненные зарубежными электротехническими фирмами для лабораторий разрывных мощностей.
В настоящее время механические коммутирующие аппараты находят все более широкое , применение при коммутации больших токов в-установках для термоядерных исследований. Например, в [6, 7] описаны конструкции аппаратов на 20 и 100 ка, предназначенные для закорачивания катушки индуктивностей при значении тока, близком к максимальному. Пневматический привод позволяет развивать при этом скорости до 50—60 м/сек и выполнять конструкции с временем замыкания порядка 1 • 10~3 сек.
Следует заметить, что в этих устройствах большое быстродействие достигается за счет предварительного разгона подвижных частей и аппараты несут только функцию замыкания сильноточных цепей. Полное время срабатывания аппарата значительно превосходит Ы0-3 сек.
Таким образом, коммутирующие аппараты, основанные на механическом замыканий цепей, применяются, как правило, только для замыкания цепей при нулевом или близком к нулевому напряжении. Синхронизированное с нулем тока размыкание контактов и отключение нагрузки от источника питания было осуществлено только при сравнительно низких напряжениях, причем и в этом случае реализовано было выключение только в работах П. Л. Капицы.
В НИИ ядерной физики при Томском политехническом институте разработаны принципиально новые устройства для коммутации сильноточных импульсных цепей при высоком напряжении [8, 9, 10]. Эти устройства основаны на сочетании механического быстродействующего аппарата и определенным образом включенных управляемых ионных вентилей, обеспечивающих операции бездугового замыкания и бездугового размыкания контактов.
Гк
] 1 Л Г со
Рис. 2.
В данной работе описывается одна из разработанных конструкций сверхбыстродействующего контактного аппарата, способного пропускать импульсные токи в десятки тысяч ампер при напряжении 10000 в. Эффективный ток контактов— 1500 ампер. Привод аппарата для упрощения конструкции, повышения быстродействия и простоты управления выбран индукционно-динамический. При индукционно-динамиче-ском приводе легко можно получить усилие в несколько тонн, что при массе контактов до 2^2,5 кг позволяет придавать им ускорения до нескольких тысяч ц и обеспечивать полное время срабатывания не более (3—~5)-Ю-3 сек. Конструктивно такой привод выполняется в виде мно-говитковой катушки и проводящего диска, расположенного в непосредственной близости от катушки таким образом, чтобы производная взаимоиндуктивности между диском и катушкой по координате необходимого перемещения диска была максимальной. Диск может передавать усилия на подвижные контакты аппарата. При пропускании че-
рез катушку импульсного тока от какого-либо источника диск отбрасывается от катушки с силой
<?М
где ¡1, ¡2 — токи в катушке и диске.
М — взаимоиндуктивность между диском и катушкой.
В контактном аппарате, разрез которого показан на рис. 1, имеется две катушки индуктивно-динамического привода — катушка 6 для замыкания контактов и катушка 2 для их размыкания. Между катушками помещен дуралюминиевый диск 5, который вместе с подвижными контактами 4 одновременно является контактным мостиком. При работе катушки замыкания 6 диск-мостик перемещается вниз и подвижные контакты 4 заходят в розеточные контакты 3. При работе катушки размыкания 2 диск отбрасывается электродинамическими силами вверх и контакты 3 и 4 размыкаются на двойной зазор 25 мм. Вертикальное перемещение диска обеспечивается с помощью двух направляющих 8, с которыми связана система ломающихся рычагов 9 и специально сконструированный двухсторонний масляный демпфер 7. Усилием пружин ломающихся рычагов диск удерживается в верхнем или нижнем положении, то есть в положении «включено» и «выключено» с силой 20 кГ. Система ломающихся рычагов надежно фиксирует положение диска-мостика при работе аппарата.
Направляющие 8 перемещаются вместе с диском при его движении вверх и вниз. При этом за 5 мм до конца такого перемещения с помощью коромысла, связанного с направляющими, включается масляный демпфер 7, который гасит до 90 проц. кинетической энергии движения подвижных частей и этим существенно уменьшает ударные механические нагрузки и шум при работе аппарата. Торможение демпфером занимает время 1 • 10"3 сек. Катушки привода, демпфер, ломающиеся рычаги и связанный с ними диск крепятся на текстолитовой плите, размещаемой на 4-х опорных изоляторах. Двойной воздушный зазор 25 мм позволяет работать при напряжениях до 10 кв. Аппарат может быть герметизирован и наполнен газом под давлением, что дополнительно увеличит электрическую прочность контактного промежутка. Полное время замыкания или размыкания контактов с момента подачи питания в катушку привода составляет не более 4,5 • 10"3 сек. Источником энергии для питания катушек привода могут быть конденсаторы 50* Ю"3 мкф, заряженные до напряжения 6 квч разряжающиеся на катушку привода 'через управляемый коммутирующий прибор, например, тиратрон или управляемый разрядник.
При протекании тока через розетку и диск-мостик на диск действует сила Рсб, стремящаяся переместить диск вверх. На рис. 2 показано схематическое изображение электрической цепи контактного
7*
99
аппарата. Для компенсации этой силы над диском пропущена шина с током коммутируемой цепи. Электродинамическая сила Р1К между током в дтаке и ткжом в шине направлена встречно силе Р0б. Расстояние между верхней шиной и диском выбрано таким, чтобы было выполнено условие
Рк-Роб = Рр>0,
при котором диск при протекании тока прижимается вниз электродинамической силой Рр.
Длина ламелей у розеточных контактов и средний диаметр розеток выбраны из условия дополнительного сжатия розеток в момент протекания через них тока, что увеличивает электродинамическую устойчивость аппарата.
Схема управления аппаратом и вспомогательное оборудование смонтировано в отдельном шкафу управления. Габариты контактного аппарата 500 X 700 X800 мм, ©ее 50 кг.
г
Аппарат может применяться для коммутации тока как от мощных конденсаторных батарей, так и от ударных генераторов. Например, на рис. 3 приведена одна из возможных схем включения аппарата для коммутации тюка ударного генератора (11). Предположим, что от ударного генератора 1 в нагрузку 3 необходам о пропускать один первый импульс тока максимальной величины. Для этой цели при фазе э. д. с. гене|ратцра, близкой к нулевой, открывается вспомогательный вентиль 4 и начинают замыкаться контакты 8 аппарата. До момента их замыкания ток проходит от ударного генератора 1 в нагрузку 3 через вентиль 4. После замыкания контактов в момент ti дроссель насыщения 5 быстро перемагиичивает-ся, и ток переходит из .вентиля 4 в контакты. После первого импульса в момент t2 при проходе тока через нуль открывается вентиль 7, и ток второй, небольшой по амплитуде и обратной по знаку полуволны проходит через вентиль 7. Контакты за время отрицательной полуволны размыкаются, вентиль в момент t3 при проходе тока через нуль запирает цепь, и на этом процесс коммутации завершается. На рис. 4 показана кривая тока от ударного генератора с апериодической составляющей тока, где i,B4 и iB7 — токи вентилей 4 и 7, a iK —ток, коммутируемый контактным аппаратом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Smart D. L Some smitchin problems in thermonuclear ,,reseach, „Proc. Inst Fleet г. Engs" 1959, A-106, Suppe N 2.
2. К a p i t z a P. L. Further Development of the Method of obtaing strong magnetic Fields. Proc Royeb Soc. 1927, vol. 115, p. 658.
3. И. В. Сафоновский, Jl. П. Гнедин. Выключатель для включения и выключения мощной электрической цепи на время полуволны тока, Труды Ленинградского индустриального института, 1937, вып. 1, № 2.
4. В. П. Г о л у б е в а, Б. А. III е ш и н. Включающий аппарат для лаборатории большой мощности. Вестник электропромышленности, 1959, № 5.
5. С. И. Яблонко. Современные лаборатории разрывных мощностей, ЦИНТИ, 1962.
6. Newgard P. M. A 20 000 — Ampere Mechanical Switch „Communication and Electronics, 1961, N 54.
7. Batzer T. N. Fast acting current switch, namehm США N 3, 036, 172, 1962.
8. В. В. Ивашин. Авторское свидетельство № 155206.
9. В. В. Ивашин, Г. А. С и п а й л о в. Бездуговое отключение больших токов, Электротехника, 1964, № 9.
10. В. В. Ивашин, Г. А. Сип аилов. Авторское свидетельство № 156200.
11. В. В. Ивашин, Г. А. Сипай лов. Авторское свидетельство № 179362.
