一种弹簧操动机构用单向离合器的保护电路和保护方法与流程

【技术领域】

本发明涉及断路器弹簧操动机构技术领域，特别涉及一种断路器弹簧操动机构用单向离合器的保护电路和保护方法。

背景技术：

弹簧操动机构作为断路器用驱动机构之一，结构主要包括储能传动系统、合闸动力及传动系统、储能保持合闸脱扣系统、合闸保持分闸脱扣系统、分闸动力系统和辅助系统等六大系统，其动作原理是电机通过储能传动系统给合闸弹簧储能，储能结束时经离合装置实现储能轴与传动系统的可靠分离，并通过储能保持合闸脱扣系统进行合闸弹簧能量保持；当断路器需要进行合闸动作时，储能保持合闸脱扣系统在外力或电磁力的作用下，进行脱扣动作，储能的合闸弹簧能量释放，一方面实现断路器的合闸操作，另一方面给分闸弹簧进行储能，并通过合闸保持分闸脱扣系统对断路器的合闸位置进行保持，同时对储能的分闸弹簧进行能量保持；当断路器需要进行分闸动作时，合闸保持分闸脱扣系统在外力或电磁力的作用下，进行脱扣动作，储能的分闸弹簧能量释放，实现断路器的分闸操作。

弹簧操动机构在实现上述储能、合闸及分闸动作时，均需要相应的控制保护电路对实现上述动作的零部件进行控制和保护。储能控制及保护电路包括以下元器件：接触器、热继电器、时间继电器、辅助继电器、行程开关及电阻等，接线图一般如图1所示，其动作原理为控制电路所有触点闭合，在接通电源后，接触器线圈通电，接触器常开触点闭合，电动机开始动作，通过传动系统带动合闸弹簧进行储能，储能结束后通过离合装置实现储能轴与传动系统的离合，并且行程开关触点动作实现储能控制电路的开断，继而电动机回路断电，停止动作。在此过程中，如果电动机回路出现电流过大或者回路通电时间过长(即储能时间过长)，热继电器或时间继电器动作，实现电动机回路开断，对电动机进行保护；合闸回路包括以下元器件：电磁铁、行程开关、辅助开关等，接线图一般如图1所示，其动作原理为控制电路所有开触点闭合，在接通电源后，电磁铁线圈通电，电磁铁触发杆动作带动储能保持合闸脱扣系统脱扣，合闸弹簧能量释放；分闸回路包括以下元器件：电磁铁、辅助开关等，接线图一般如图1所示，其动作原理为控制电路所有开触点闭合，在接通电源后，电磁铁线圈通电，电磁铁触发杆动作带动合闸保持分闸脱扣系统脱扣，分闸弹簧能量释放。

合闸操作完成后，弹簧操动机构随即进行储能操作，给合闸弹簧压缩储能为下次合闸操作做准备，在此过程中希望储能轴在合闸弹簧及电动机的带动下始终进行单向旋转，为了防止合闸弹簧能量释放时储能轴因高速旋转所产生的冲击传递到储能传动系统及至电动机，对传动系统及电动机造成损坏，需要在储能轴或在其前一级传动轴上安装一个单向离合器，当合闸弹簧能量释放时，实现储能轴与储能传动系统及电动机脱离，保护储能传动系统和电动机免受冲击损坏；同时为了防止断路器进行合闸操作，电动机回路断电的情况下，合闸弹簧释能末段储能轴由于合闸弹簧预压力的作用，会向旋转方向的反方向运动(如图6虚线箭头方向所示)，使储能轴在平衡位置发生振荡，需要在储能轴或在其前一级传动轴上再安装一个防反转的单向离合器，实现储能轴反向旋转的抱紧定位，合闸弹簧每释放一次能量，防反转单向离合器都会起作用。所述的合闸弹簧释能后立即进行储能操作过程，如果电动机通电较晚启动过慢，储能轴可能会出现反转，此时电动机运转传递到储能轴的转速与储能轴反转的转速相对差值会很大，单向离合器的滚子就会对内外圈产生较大的冲击磨损。一般来说，弹簧操动机构的操作寿命要求在一万次以上，这种冲击磨损累积效应在六七千次之后就会变得严重，单向离合器可能会失效，从而对弹簧操动机构的可靠度大大降低，满足不了弹簧操动机构的操作寿命要求。为了解决上述问题，一般现行的技术方法是增大单向离合器的扭矩，势必会增大单向离合器的尺寸，进而增加了机构成本。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种断路器弹簧操动机构用单向离合器的保护方法，通过对控制电路的设计，减小电动机运转传递到储能轴的转速与储能轴反转前的转速相对差值，减轻离合器的滚子对内外圈的磨损，实现对单向离合器的保护，延长机构的使用寿命，提高弹簧操动机构的可靠度，保障电力系统的可靠运行。

一种弹簧操动机构用单向离合器的保护电路，包括电动机回路、电动机控制回路和保护回路，以及合闸回路和分闸回路，其中，电动机控制回路包括：常闭触点行程开关、接触器线圈和辅助继电器的一对常闭触点，上述元器件或元器件的触点组成串联电路，该串联电路上进一步串联有由电阻r1和辅助开关常闭触点组组成的并联电路。

电阻r1的阻值等于或大于接触器线圈的阻值。

辅助开关常闭触点组的作用角度范围为0～15°。

所述接触器的额定电压比电动机控制回路的电源电压低一级。

所述接触器线圈上连接有时间继电器，时间继电器触点联动控制接触器线圈。

电动机回路包括接触器三组主触点、热继电器和电动机，上述元器件或元器件的触点组成串联电路，接在电源两端，其中，电动机的一端依次连接热继电器和接触器两组主触点后连接在电源的一端，电动机的另一端依次连接另外一个热继电器和接触器剩余的一个主触点后连接在电源的另一端。

所述的电动机保护回路包括时间继电器、辅助继电器、热继电器和电阻，其中，时间继电器、辅助继电器触点和热继电器的触点组成并联电路，与辅助继电器和电阻组成的并联电路，以及辅助继电器的线圈一起组成串联电路；电动机控制串联电路与电动机保护串联电路并联接在直流电源两端，且接触器线圈连接在与辅助继电器触点并联的时间继电器上。

合闸回路包括合闸线圈、辅助开关常闭触点组和常开触点行程开关，上述元器件的触点与控制台或控制系统的合闸触点组成串联电路；分闸回路包括分闸线圈和辅助开关常开触点组，上述元器件的触点与控制台或控制系统的分闸触点组成串联电路；合闸串联电路与分闸串联电路组成并联电路接在电源两端。

所述的常开触点行程开关和常闭触点行程开关连接在弹簧操动机构的储能轴上，当弹簧储能结束后，同时控制常开触点行程开关和常闭触点行程开关动作；所述的辅助开关常开触点组和辅助开关常闭触点组连接在弹簧操动机构输出轴上，弹簧操动机构输出轴控制辅助开关常开触点组和辅助开关常闭触点组的动作。

一种弹簧操动机构用单向离合器的保护方法，当弹簧操动机构在接到合闸命令开始动作时，常闭触点行程开关触点接通，但电动机控制电路中辅助开关常闭触点组的一对触点还未断开，此时，接触器主触头在线圈的大吸力作用下快速吸合，实现电动机回路的快速接通；随着储能轴的进一步转动，辅助开关常闭触点断开，此时电阻r1和接触器线圈共同承担电源的电压，接触器上施加的电压满足接触器主触点的吸合电压，主触点保持吸合状态，实现电动机回路的持续通电，电动机通电的时间保证电动机传递到齿轮轴z5的转速追逐上储能轴的惯性转速。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明在电动机控制回路中串联有由电阻r1和辅助开关常闭触点组组成的并联电路，这样，当弹簧操动机构在接到合闸命令开始动作时，常闭触点行程开关触点接通，但电动机控制电路中辅助开关常闭触点组的一对触点还未断开，此时，接触器线圈上施加的电压大于接触器线圈的额定吸合电压，接触器主触头在线圈的大吸力作用下快速吸合，实现电动机回路的快速接通，随着储能轴的进一步转动，辅助开关常闭触点断开，此时电阻r1与接触器线圈变成串联关系，电阻r1和接触器线圈共同承担电源的电压，接触器线圈上施加的电压减小，满足接触器主触点的吸合电压，主触点保持吸合状态，实现电动机回路的持续通电，从而实现对离合器的保护。

【附图说明】

图1是本发明所涉及的控制和保护电路改进前示意图；

图2是本发明所涉及的控制和保护电路改进后示意图；

图3是本发明的弹簧操动机构储能传动系统剖视示意图；

图4是本发明的弹簧操动机构储能传动系统剖视局部放大图；

图5是本发明的弹簧操动机构合闸弹簧储能后示意图；

图6是本发明的弹簧操动机构合闸弹簧释能后示意图；

附图标记说明：

图1、图2中，标记号数字及字母意义如下：

dc2k.直流电源电压2k；52a.辅助开关常开触点组；52b.辅助开关常闭触点组；52c.合闸线圈；52t.分闸线圈；sp1.常开触点行程开关；sp4.常闭触点行程开关；r1.电阻；r2.电阻；k88.接触器；k49.热继电器；k49x.辅助继电器；48t.时间继电器；m.电动机；c1～c4.导线标号；d1～d3.导线标号；g1～g5.导线标号；w1～w7.导线标号；52bn1.导线标号；52bp1.导线标号；nc.常闭触点；no.常开触点；阿拉伯数字为元器件本身接点标号。

图3、图4、图5、图6中，标记号数字意义如下：

1.大齿轮；2.储能轴；3.齿轮轴z5；4、轴承；5.齿轮轴z3；6.齿轮；7.电机；8.支架；9.齿轮z4；10a.单向离合器a；10b.单向离合器b；11.止动件；12.凸轮；13.挂簧拐臂；14.挂簧销；15.合闸弹簧拉杆；16.合闸弹簧；17.限位销；18离合凸轮。

【具体实施方式】

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种断路器弹簧操动机构用单向离合器的保护电路及保护方法，通过对控制电路的设计，减小电动机运转传递到储能轴的转速与储能轴反转前的转速相对差值，减轻离合器的滚子对内外圈的磨损，实现对单向离合器的保护，延长机构的使用寿命，提高弹簧操动机构的可靠度，保障电力系统的可靠运行。

本发明控制电路做以上设计，基于的动作原理是：合闸弹簧能量释放后，电动机控制主回路中常闭触点行程开关触点闭合，辅助开关常闭触点此时还处于接通状态，此时接触器线圈所加电压为控制电路电源电压，由于接触器线圈的额定电压低于控制电路电源电压，接触器线圈的吸力与线圈两端所加电压的平方成正比，接触器触头在线圈的大吸力作用下快速吸合，实现电动机回路的快速接通；当辅助开关常闭触点释放后，增加的电阻与接触器线圈变成串联电路，增加的电阻阻值等于或稍大于接触器线圈的阻值，此时接触器线圈两端的电压等于或稍小于额定电压，即接触器触点满足吸合电压，触点保持吸合状态，实现电动机回路的持续带电。

本发明控制电路做以上设计，目的是提高控制电路中接触器线圈的初始电压，增大接触器线圈产生的吸力，缩短接触器主触头吸合的动作时间，从而使电动机快速动作，带动储能轴在合闸完成后继续进行储能操作；电动机进行快速动作是为了通过储能传动系统把运动传递到离合器的外圈，通过离合器滚子再把旋转运动传递到储能轴，使离合器外圈运动与储能轴的运动速度相对差值尽量保持在较小值，即使离合器外圈的转速“追逐”上并稍大于储能轴的转速，这样就会大大减轻离合器滚子对内外圈的冲击磨损，实现对单向离合器的保护，提高机构的可靠性水平。

下面结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式等做进一步详细说明。

如图1所示，弹簧操动机构各种动作的一般控制电路包括：电动机控制及保护回路、电动机回路、合闸回路和分闸回路。

本发明的电动机控制电路包括：常闭触点行程开关sp4、接触器k88线圈和辅助继电器k49x的一对常闭触点，上述元器件或元器件的触点组成串联电路，该串联电路上进一步串联有由电阻r1和辅助开关常闭触点组52b的一组常闭触点组成的并联电路，如图2所示。电阻r1的阻值应等于或稍大于接触器k88线圈的阻值。辅助开关常闭触点组52b的作用角度范围0～15°。接触器k88选型时，如果电动机控制电路电源电压为直流2k，接触器k88额定电压选为k，即接触器k88选型时其额定电压比控制电路电源电压低一级。

电动机保护回路包括：时间继电器48t、辅助继电器k49x、热继电器k49和电阻r2，其中，时间继电器48t、辅助继电器k49x的常开触点和热继电器k49的触点组成并联电路，然后与辅助继电器k49x和电阻r2组成的并联电路，以及辅助继电器k49x的线圈一起组成串联电路。电动机控制电路与电动机保护电路并联后接在直流电源两端，并且时间继电器48t触点联动控制接触器k88线圈。

电动机回路包括：接触器k88的三组主触点、热继电器k49和电动机m，上述元器件或元器件的触点组成串联电路，接在电源两端。其中，电动机m的一端依次连接热继电器k49和接触器k88两组主触点后连接在电源的一端，电动机m的另一端依次连接另外一个热继电器k49和接触器k88剩余的一个主触点后连接在电源的另一端。

合闸回路包括：合闸线圈52c、辅助开关常闭触点组52b和常开触点行程开关sp1，上述元器件的触点与控制台或控制系统的合闸触点组成串联电路；分闸回路包括：分闸线圈52t和辅助开关常开触点组52a，上述元器件的触点与控制台或控制系统的分闸触点组成串联电路；合闸串联电路与分闸串联电路组成并联电路接在电源两端。

弹簧操动机构处于初始状态，电动机控制电路通电时，电动机回路接通，电动机m带电开始动作带动储能传动系统给合闸弹簧16储能，储能结束后，储能传动系统通过连杆机构迫使常闭触点行程开关sp4触点断开，从而电动机控制电路断开，电动机m停止动作，同时，储能传动系统通过连杆机构迫使合闸回路中常开触点行程开关sp1触点接通，为弹簧操动机构的合闸动作做好准备。如果在储能过程中，电动机回路中电流过大，热继电器的触点97、98闭合，或者电动机回路中通流时间过长，时间继电器的触点67、68闭合，保护回路均能接通，辅助继电器k49x线圈带电，电动机控制电路中串联的辅助继电器k49x常闭触点断开，使电动机控制电路断开，电动机m停止动作，实现对电动机m及弹簧操动机构的保护。

当弹簧操动机构收到来自控制台或控制系统的合闸命令时，合闸回路接通，合闸线圈52c带电，合闸电磁铁触发杆带动储能保持合闸脱扣系统进行脱扣动作，实现断路器的合闸操作，同时常闭触点行程开关sp4触点接通，电动机m带动储能传动系统开始给合闸弹簧16储能，为下一次合闸操作做准备，并且弹簧操动机构输出轴通过连杆机构控制辅助开关常闭触点组打开，辅助开关常开触点组闭合；当弹簧操动机构收到来自控制台或控制系统的分闸命令时，分闸回路接通，分闸线圈52t带电，分闸电磁铁触发杆带动合闸保持分闸脱扣系统进行脱扣动作，实现断路器的分闸操作，同时弹簧操动机构输出轴通过连杆机构控制辅助开关常闭触点组闭合，辅助开关常开触点组打开。

如图3、图4、图5和图6所示，以一种弹簧操动机构为例，详细说明利用控制电路设计以改变元器件的瞬时动作特性，实现对单向离合器保护的思想。

如图3所示，电动机(7)通电后，带动齿轮(6)及齿轮轴z3(5)转动，齿轮轴z3(5)带动齿轮z4(9)转动，齿轮z4(9)通过单向离合器a(10a)带动齿轮轴z5(3)转动，齿轮轴z5(3)带动大齿轮(1)及储能轴(2)转动，储能轴(2)通过挂簧拐臂(13)、挂簧销(14)和合闸弹簧拉杆(15)给合闸弹簧(16)储能。

储能过程中，各轴的转动方向如图5所示。储能完成后，大齿轮(1)中的离合凸轮(18)起作用，使齿轮轴z5(3)与大齿轮(1)及储能轴(2)脱离，即储能传动系统与储能轴(2)脱离，同时电动机控制电路断开，使电动机(7)断电，停止动作，合闸弹簧(16)在储能保持合闸脱扣系统的作用下进行能量保持，为断路器的合闸操作做好准备。

弹簧操动机构进行合闸操作，如图6所示，当控制台或控制系统发出合闸命令后，储能保持合闸脱扣系统进行脱扣动作，压缩的合闸弹簧(16)能量释放，带动储能轴(2)沿着储能方向(如图6实线箭头所示方向)转动，储能轴(2)上的大齿轮(1)带动齿轮轴z5(3)转动，由于单向离合器a(10a)的存在，齿轮轴z5(3)与齿轮z4(9)处于离合状态，储能轴(2)的运动冲击传递不到电动机(7)侧，对传动系统的其它轴及电动机(7)起到保护作用；当合闸弹簧(16)能量释放到最大，即合闸弹簧(16)伸长到最大值时，由于运动的惯性作用，储能轴(2)继续转动，合闸弹簧(16)进行压缩，直到使储能轴(2)转速为零停止，此时储能轴(2)会在压缩的合闸弹簧(16)带动下，进行反向(如图6虚线箭头所示方向)旋转，齿轮轴z5(3)也会在大齿轮(1)带动下反向(如图6虚线箭头所示方向)旋转，直到单向离合器b(10b)起作用，抱紧齿轮轴z5(3)，反向旋转停止。

上述合闸操作针对的是电动机(7)储能后电源断电的情况，工程实际应用中，电动机(7)电源一直保持通电且弹簧操动机构执行完合闸操作立即进行储能，为下次合闸操作做准备，结合图2、图3、图4、图5和图6对本发明的单向离合器保护思想进行如下阐述。

本发明的单向离合器保护思想的核心是抑制储能轴(2)反转并减小电动机(7)转动传递到储能轴(2)的转速与储能轴(2)反转前的转速相对差值，即实现电动机(7)转动传递到储能轴(2)的转速“追逐”上并稍大于储能轴(2)的惯性转速，从而减轻单向离合器a(10a)的滚子对内圈(齿轮轴z5(3))及外圈(齿轮z4(9)的内孔)的冲击磨损。

如图2所示，弹簧操动机构接到合闸命令开始动作，受凸轮间隙及辅助开关触点角度影响，常闭触点行程开关(sp4)触点接通时，电动机控制电路中辅助开关常闭触点组(52b)的一对触点还未断开，额定电压为k的接触器(k88)线圈两端所加电压为2k，由于接触器(k88)线圈的吸力与线圈两端所加电压的平方成正比，此时接触器主触头在线圈的大吸力作用下快速吸合，实现电动机回路的快速接通；随着储能轴(2)的进一步转动，辅助开关常闭触点(52b)断开，电阻(r1)与接触器(k88)线圈变成串联电路，电阻(r1)阻值等于或稍大于接触器(k88)线圈的阻值，故接触器(k88)线圈两端的电压等于或稍小于额定电压，满足接触器(k88)主触点吸合电压，主触点保持吸合状态，实现电动机回路的持续通电。电动机回路通电越早，电动机(7)传递到齿轮轴z5(3)的转动就越早，就越容易“追逐”上并稍大于储能轴(2)的惯性转速，减小单向离合器a(10a)内圈(齿轮轴z5(3))及外圈(齿轮z4(9)的内孔)的相对转速差值，减轻单向离合器a(10a)的滚子对内圈(齿轮轴z5(3))及外圈(齿轮z4(9)的内孔)的冲击磨损，保护单向离合器a(10a)不至于失效，并延长单向离合器a(10a)操作寿命，提高机构的可靠性水平。

综上所述，相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1)利用控制电路中元器件的动作特性实现对单向离合器的保护，可以有效解决离合器滚子对内外圈的冲击磨损，实现对单向离合器的保护，提高机构的可靠性水平。

2)通过设计控制电路以改变元器件的瞬时动作特性，实现对单向离合器保护的思想，不但可以解决因扭矩增大导致离合器尺寸需要相应加大的弊端，实现机构动作可靠的前提下结构的紧凑性，而且可以降低机构的成本。

3)这种思想还可以运用到其它有类似需求的机械结构中，通过对控制电路中元器件参数(例如：阻值、额定电压等)的调整以改变元器件的瞬时动作特性快捷实现不同的预期效果。

以上按具体实施例说明了本发明单向离合器保护方法的具体实施方式，但本发明并不限定于这种实施方式，还可以是包含本发明所述特征的其他实施方式，例如：

1)实施例中，电动机控制电路电源电压为直流2k，接触器(k88)额定电压选为k，但也可以是电源电压为直流k，接触器(k88)额定电压选为k/2，即接触器(k88)选型时其额定电压比控制电路电源电压低一级；根据预期的试验结果，调整电阻(r1)及接触器(k88)的参数，实现保护一次机械零件的目的。