Omfórum

Hlavní přehled | Info a nápověda

Přihlásit | Registrovat

Příspěvek umístěný v tematickém vlákně: Bezkontaktní vypínač a teorie funkce (str. 1)

Píďalka

20.11.2015 18:19
Bydliště: ČR

1379

446

1788

MĚKKÝ, BEZKONTAKTNÍ SPÍNAČ
Soft Contactless Switch (SCS)

Abstrakt

Současný vynález "Mekký bezkontaktní spínač" je mechanicky operované indukční zařízení sloužící k postupnému, plynulému omezování střídavého elektrického proudu elektrickým obvodem, sestávajícím alespoň z jedné indukční cívky a ze sestavy dělitelného feromagnetického jádra, sestavené alespoň ze dvou dílů, otevírajících a zavírajících smyčku magnetického pole.

Obor uváděného vynálezu

[001] Tento vynález SCS se vztahuje k plynulému ovládání a bezkontaktovému spínání a vypínání elektrického proudu (AC) ve střídavých obvodech.

Pozadí uváděného vynálezu

[002] Většina elektrických sítí závisí na produkci a využití elektrické energie ve formě střídavého proudu (dále AC), ve kterých hraje přerušování a spínání elektrických obvodů klíčovou úlohu. Ačkoliv bylo učiněno mnoho pokusů o sestrojení bezkontaktních spínačů, které by neměly problémy s jiskřením, produkcí elektrických oblouků a s uvedením náhlých, nárazových proudů do obvodu transformátorů a tím i dalšího, závislého vybavení, stejně jako produkcí napěťových špiček v obvodech, a napříč mnoha příkladům spínačů, které tyto problémy částečně řeší, nebyl ještě problém čistě mechanického, bezkontaktního kompletního spínání obvodů uspokojivě vyřešen.

[003] Škody způsobené na kontaktních plochách jiskřením a elektrickými oblouky, včetně případného svaření kontaktů spínačů různých konstrukcí, jističů a podobných zařízení, přinejmenším ničí kontaktní plochy a způsobuje jejich krátkou životnost, přehřívání, relativně vysoký odpor a energetické ztráty, a případně i havárie dalšího zařízení. Pokud tyto potíže nastanou u kritických zařízení, selhání spínačů se stává i příčinou explozí, požárů a úrazů a může vést k velikým hospodářským škodám. Tyto problémy jsou současně řešeny elektrickými součástmi, které do jisté míry omezují náhlá, nadměrná vrcholová napětí způsobená tvrdými, kontaktními spínači elektrických obvodů, používajících například polovodičové technologie, stavitelné i pevné odpory, provize konstrukcí induktivních vlastností jader transformátorů a mnoho dalších, které do značné míry potlačují nežádoucí efekty postupnou, nebo plynulou regulací elektrického proudu v obvodech, ale zatímco některé způsobují nežádoucí harmonické proudy v AC obvodech, které musí být dále odstraňovány dalším vybavením, všechny jsou příčinou relativně velikých ztrát elektrické energie.

Příbuzné patenty

[004] US 720305 (Feb. 10, 1903) James J. Wood - Pohyblivé, mechanické, indukční zařízení s otevřeným jádrem, za účelem regulace hodnoty elektrického proudu v obvodu.
US 2098692 (Nov 9, 1937) Carroll H. Walsh - Kontaktní spínač vysokého napětí.
US 2337346 (Dec. 21, 1943) Justin Peterson - Stavitelný reaktor s mechanicky stavitelnou cívkou pro regulaci elektrického proudu.
US 3299276 (Jan 17, 1967) Richard L. Jenkins - Transistorový, mnohafunkční systém regulace napětí.
US3596026 (Aug 29, 1971) Tadtusi J. Rys Lexington - Potlačovač elektrického oblouku v kontaktních spínačích.
US 3938031 Feb 10, 1976 Ronald C. Blackmond - Zdroj elektrické energie s měnitelným napětím.
US3978395 (Aug 31, 1976) Luciano Legnaioli - Spínač regulující napětí.
US 4084221 (Apr 11, 1978) Fumio Ogata - Vysokonapěťový thyristorový měnič.
US4189672 (Feb 19, 1980) Stanley G. Peschel - Proměnlivý transformátor zabraňující průchodu proudu při zkratech.
US patent # 4289941 Sep 15, 1981 John W. Cannon - Jistič s potlačením přeskoku elektrického oblouku.
US4638177 (Jan 20, 1987) David S. Takach, Rao L. Boggavarapu, Ram R. P. Sinha - Transformátor s rotujícím polem.
US4907246 (Mar 6, 1990) Charles T. Kleiner - Magneticky kontrolovaný proměnlivý transformátor.
US 5912553 (Jun 15, 1999) James F. Mengelkoch - Fero-resonanční transformátor s nízkým harmonickým zkreslením.
US 6797909 (28 Sep 2004) Patrick Harold Pride, Joseph Peter Gerovac, Paul Steven Kozicki and Allen Leroy Johnson - Jistič vysokého napětí s navýšeným potlačením elektrického oblouku.

[005] US1697401 (Jan 1, 1929) Peter M. Nagy -Regulátor s pohyblivě uzavíratelným jádrem pro omezování průtoku elektrického proudu (avšak zdaleka neřeší kompletní, bezkontaktní přerušení proudu).

Souhrn uváděného vynálezu SCS

[ 006] Já, vynálezce uváděného zařízení, jsem odstranil sekundární cívku z izolačního, jednofázového transformátoru a ponechal jsem na jádře pouze primární, nepoškozenou cívku. Dle očekávání jsem shledal, že samotná primární cívka, připojená do sítě (120V), na kterou byl transformátor originálně postaven, kompletně zabrání měřitelnému průtoku elektrického proudu cívkou, zapojenou do sítě bez jakéhokoliv vloženého odporu, či jiné ochrany obvodu. Poté jsem jádro takto vzniklého zařízení rozřízl na dvě části a řezy opracoval tak, aby na sebe dvě vzniklé části jádra celkem přesně lícovaly. Poté jsem dalšími pokusy zjistil, že i v případě rozděleného jádra v těsném kontaktu toto zařízení nepropustí při zapojení do sítě natvrdo měřitelnou hodnotu střídavého proudu s přesností detekce 0.0000 Ampér, měřeno velmi kvalitním analyzátorem elektrické energie. Po přidání odporu do obvodu cívky a zdroje jsem dalším měřením proudu zjistil, že dle očekávání lze elektrický proud v obvodu regulovat měněním odstupu dvou částí jádra.

[007] Tím jsem bez mého vědomí potvrdil některé patentové zábory patentu Peter M. Nagyho, uvedenéhé výše [005], že manipulací částí jádra lze manipulovat průchod elektrického proudu.

[008] Na rozdíl od pana Nagyho jsem však zjistil, že správně navrženým zařízením lze za pomoci tohoto jevu bezkontaktně přerušit střídavý elektrický proud v obvodu prakticky dokonale. Dále jsem po připojení zmíněného zařízení na průmyslový reostat zjistil, že k měřitelnému průtoku elektrického proudu cívkou, 0.0001 A a výše, dochází s uzavřeným jádrem při danné konstrukci až při podstatně vyšší napěťové hodnotě než 120V, téměř dvounásobné, kdy dojde k saturaci jádra.

[009] Tímto jsem vyřešil problém kompletního, bezkontaktního přerušení střídavého elektrického proudu induktivní metodou, svým vynálezem SCS.

[009 - 013] vynechány coby naprosto nepodstatné.

Podrobný popis uváděného vynálezu SCS

[014-016] vynecháno, legálně vyřadované opakování předešlého, očividné ze schémat a předešlého.

[017] S ohledem na schéma Obr.1, je funkčnost současného vynálezu dána faktem, že materiál fyzicky uzavřeného feromagnetického jádra SCS, které nemá dostatečný čas měnit svou krystalickou a doménovou strukturu pod vlivem neustále se měnící polarizace a hodnoty střídavého elektrického proudu, jak to umožňuje feromagnetickému materiálu stejnosměrné pole elektromagnetu, reaguje na neustále se měnící elektrické pole indukované střídavým napětím samostatné SCS cívky č.1, indukčně vázané na SCS jádro č.2 a 3, reaktivním elektrickým polem opačné polarity, a faktem, že toto reaktivní pole je plně vyvázané SCS jádrem č.2 a 3 díky nepřítomnosti jakéhokoliv sekundárního vinutí.

[018] Pokud je toto reaktivní elektrické pole indukováno v transformátoru, přebírá ho do jisté míry i vodivě otevřená sekundární cívka transformátoru a objevuje se na jejích koncích vždy v opačné polaritě vůči primární cívce. Vzhledem k tomu, že sekundární cívka není u SCS přítomna, zůstává reaktivní elektrické pole plně uzavřené v jádře SCS. Díky tomu jsou indukční i reaktivní pole v SCS vždy v rovnováze, ať již je jádro plně uzavřené, nebo poodtažené. Sekundární cívka transformátoru vždy spotřebovává energii reaktivního elektrického pole pocházejícího z jádra transformátoru, a tím je každá sekundární cívka transformátoru spotřebičem i když je elektricky otevřená, a tím dochází k průtoku střídavého elektrického primární cívkou transformátoru, i když transformátor není pod žádnou jinou sekundární zátěží.

[019] Skutečnost, že mé testovací, transformátorové jádro s jedinnou cívkou [008] mohlo být přivedeno do stavu saturace, poukazuje na to, že obě polarity elektrického pole, indukujícího stejně jako reaktivního, byly v jádře skutečně přítomné a že s nárůstem napětí rostla jejich hustota v jádře. Avšak, tato skutečnost poukazuje i na to, že před bodem saturace nedocházelo v jádře k indukci vířivých proudů, které by se nutně projevily jako ztráty a tím také jako proudová hodnota jedinného obvodu. Tento fakt jasně dokazuje, že jakmile dojde k saturaci jádra, reaktivní elektrické pole není nadále schopno navyšovat svou hodnotu, tím dochází k částečnému odmítnutí indukujícího pole samostatné cívky SCS jádrem a to pak narůstá oproti reaktivnímu poli, kterýžto přebytek se projeví i jako vířivé proudy v SCS jádře díky kvantitativní nerovnováze těchto dvou polí.

[020] Vodivé spojení (sepnutý sekundární elektrický obvod) sekundární cívky transformátoru umožňuje průtok elektrického proudu sekundární cívkou. Tento proud by se pro všechny praktické účely projevil jako elektrický proud, kroužící povrchem obvodu solidního jádra transformátoru kolmo k jeho dlouhé ose, který však krouží příčně po všech obvodech všech laminací laminovaných, transformátorových jader. Tomu se staví do cesty odpor v laminacích způsobený jednak povrchovým efektem střídavého proudu, což je v podstatě Hall effect, který tlačí tento elektrický proud k povrchu laminace do tenké vrstvy, relativně nízkým, porozdělovaným potenciálem mezi dvěma vyváženými polaritami dvou elektrických polí, indukujícího a indukovaného, vyvázaných v jádře, relativně vysokým odporem feromagnetických materiálů používaných pro výrobu transformátorových jader, délkou obvodu laminací, takže jejich šířkou, blízkostí povrchů laminace, takže její tloušťkou, a počtem laminací, mezi které se dělí celkový efekt, který by jinak působil celkově na solidní jádro.

[021] Oproti transformátoru, na kterém není připojena sekundární zátěž, je ztráta SCS bez sekundární cívky omezena pouze na mechanickou vibraci způsobující zanedbatelné akustické, v mém případě neměřitelné ztráty, díky elektrostrikci, spíše nežli magnetostrikci. Jakmile dochází k odtahování částí jádra od sebe, elektrické pole indukované samostatnou cívkou SCS začne části jádra obcházet, což lze pozorovat na poklesu napětí na cívce, a jeho hustota procházející jádrem klesá. Nicméně, jakákoliv část magnetického pole elektrického proudu, který nyní prochází cívkou, a jakákoliv část indukujícího elektrického pole cívky, které jsou ještě pohlcovány jádrem SCS, jsou v jádře SCS vždy v rovnováze. Tato část obou polí také ještě stále omezuje průtok střídavého elektrického proudu jedinnou cívkou SCS. Z těchto důvodů jsou ztráty v SCS před saturací omezené pouze na odpor vinutí cívky a z předešlého lze usoudit, že jádro SCS nejspíše nemusí být laminované, ačkoliv jeho průřez musí být dostatečný.

[022] Vzhledem k tomu, že SCS nemá jakékoliv sekundární vinutí, které by přijímalo reaktivní pole jádra a předávalo ho dále do sekundárního obvodu jako elektrický proud, a umožňuje pouze průchod primárního proudu zdroje svou jedinnou cívkou, není tento proud předmětem reluktance jádra a tím nedochází k fázovým posunům mezi napětím a proudem během jeho operace.

[023] Pokud je jádro SCS přiměřeně předimenzované, má nutně schopnost do značné míry omezovat napěťové špičky vzniklé v obvodu zdroje, cívky a zátěže do té doby, dokud pracuje pod hodnotou saturace jádra.

[024 - 025] Jsou vynechány, protože souvisí pouze s patentovacím procesem a jsou technicky bezvýznamné.

Zábory: Vynechány. Žádost je propadlá a udělátko je ve veřejném vlastnictví. Žádost jsem podal proto, aby už tento vynález nemohl nikdo nikdy patentovat.

Vynálezce: Drahoslav Krepelka, Orangeville, Canada

Pokračování