CN101266888B - 一种大功率混合直流接触器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大功率混合直流接触器及其控制方法，本发明由直流接触器主体和灭弧系统组成。直流接触器包括动静触头、主体支架、电磁线圈等部分，完成通断作用。灭弧系统包括接触器闭合电弧消除部分和接触器断开灭弧部分。混合直流接触器闭合灭弧部分由电源转换电路、信号隔离采集电路、控制电路及MOSFET驱动电路组成，通过检测触头闭合信号导通电力电子开关消除弹跳电弧；断开过程出头电弧消除部分由保持电路、判断电路、控制切换电路及能量吸收电路组成，利用电力电容能量吸收特性消除接触器触头分断大功率负载时产生的电弧，通过PCB板布局的优化设计最大限度减少寄生参数的影响，使大功率混合直流接触器在分断动作过程中完全消除电弧影响。

Description

一种大功率混合直流接触器及其控制方法

(一)技术领域

本发明涉及一种基于电力电子技术及电容并联技术的大功率混合直流接触器。

(二)背景技术

铁路是国家重要基础设施、国民经济大动脉和大众化交通工具。加快铁路发展，对促进经济社会发展，实现全面建设小康社会的宏伟目标具有重要作用。直流电磁式接触器是铁路机车与车辆供电系统中广泛应用的电器元件，其可靠性及寿命直接影响整个系统的可靠性和安全性。直流接触器在接通或分断大功率负载时，会出现触点的抖动、振动、电弧、烧蚀等现象，造成触点接触电阻异常、触点粘接等故障，导致开关动态特性差、电寿命短等缺陷。其中机械触点在开断过程中电弧磨损不可避免，且功率越大电磨损越严重，是造成直流电磁式接触器可靠性差、寿命短的关键因素。混合开关电器以其无电弧通断、高可靠性和长寿命等优点被日益关注。传统混合直流接触器在主要利用电磁开关和电子开关各自优点并联使用来完成消除电弧的作用，该设计方法需要电子开关承担负载电流的时间较长，且完全承担分断电流冲击。这样随着功率的提高，该方法的开发成本越高，且易造成MOSFET的电击穿失效，给整个系统带来无法克服的影响。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种通过在触头两端并联电力电子开关MOSFET和储能电容分别消除在接触器闭合过程中的弹跳电弧和接触器分断电弧来完成整个系统无弧通断功能的大功率混合直流接触器。

本发明的目的是这样实现的：它是由大功率直流接触器和灭弧系统组成，其中灭弧系统又分为接触器闭合灭弧部分和接触器断开灭弧部分。直流接触器U2由接触器支架、动静触头、电磁线圈等组成，其控制电压为110V，电源系统U1输出110V电源信号给接触器线圈，产生吸力使接触器触头闭合导通；掉电后电磁吸力消失，触头分离。普通大功率直流接触器在额定工作状态下，触头在闭合和断开时刻会产生电弧现象，本发明由于具有完善的灭弧系统，可以实现混合接触器无弧通断。接触器闭合灭弧系统由电源转换电路模块U3、隔离电路模块U4、采样电路模块U5、闭合控制电路模块U6、延时输出电路模块U7、判断电路模块U8、驱动电路模块U9、电力电子器件U10及保护模块U11组成。电源转换电路U3将U1输出电压转换为系统各功能模块所需电源电压信号S12(5V)和S13(24V)。在接触器线圈上电时，延时输出模块检测到U3输出电信号S12，输出一定延时时间高电平信号S6给判断电路模块U8。在接触器U2闭合时刻，隔离模块U4检测接触器触头闭合电信号S2，并产生隔离输出信号S3给采样电路模块U5，控制电路模块U6接收采样输出信号S4，将控制高电平信号输出给判断模块U8。这样，判断电路U8同时接收来自控制模块U6和延时输出模块U7的高电平信号时，输出判断信号，以开启驱动电路模块U9。U9输出电力电子器件的驱动信号，使MOSFET U10导通。这样，MOSFET承担接触器触头弹跳时的电流负载，从而有效的消除了接触器触头闭合过程中的弹跳电弧。混合直流大功率接触器断开灭弧系统由保持电路模块U12、断开部分判断模块U13、断开部分控制模块U14、继电器U15、能量吸收模块U16和电力电容放电模块U17组成。接触器分断电弧消除原理为：在接触器U2线圈掉电时，触头经过大约50us的延时时间分离，在这段延时时间内利用继电器将能量吸收系统接入到接触器触头两端，是在触头分离时刻，吸收电弧能量，来消除电弧影响。在接触器U2未导通时，能量吸收模块U16通过继电器U15与放电模块U17相并联，使U16内的能量通过U17释放。在电源系统U1给接触器U2线圈上电时，保持模块U12保持该控制信号S1，在接触器掉电断开时，U12释放控制信号S9给判断模块U13，确定为释放信号时控制电路模块U14给继电器U15线圈上电，使其将能量吸收模块U16并联到接触器U2触头两端，以吸收接触器分断产生的电弧。

本发明的另一目的在于提供一种大功率混合直流接触器的控制方法：由以下步骤完成：

步骤一、混合直流接触器线圈上电，触头经50ms的延时时间闭合，在接触器触头第一次接触时闭合灭弧系统检测到其接触电信号，瞬间导通电力电子器件MOSFET，承担接触器触头弹跳过程中的电流负载；

步骤二、混合直流接触器线圈掉电，触头经40ms的延时时间分断，通过断开灭弧系统检测线圈掉电信号，使继电器动作将能量吸收电路切入，并联到接触器触头两端，吸收接触器的分断电弧能量。

本发明使接触器在通断动作过程中，消除触头电弧对接触器电寿命的影响，克服了当今市场上大功率直流接触器有电弧通断，电寿命短，可靠性差等缺点。提供一种新型大功率混合直流接触器，使其具有无电弧、可靠通断的特性，大大提高接触器电寿命，使混合开关电器可以适用于大功率的应用场合。本发明通过在触头两端并联电力电子开关MOSFET和储能电容分别消除在接触器闭合过程中的弹跳电弧和接触器分断电弧来完成整个系统无弧通断功能。在接触器闭合过程中通过检测接触器触头两端电压下降沿，由控制驱动模块产生驱动信号使电力电子器件MOSFET导通，承担电流负载。这样，可以有效消除大功率直流接触器闭合过程中的触头的弹跳电弧。在接触器断开过程中，接触器触头会产生较大的分断电弧。利用电容两端电压不突变特性，在接触器分断时刻吸收接触器的分断电弧能量，以达到混合接触器无弧分断的效果。

(四)附图说明

图1为本发明闭合灭弧系统原理框图；

图2为电源转换电路；

图3为信号隔离采样电路；

图4为控制电路原理图；

图5为延时输出电路原理图；

图6为驱动电路原理图；

图7为断开灭弧系统原理图；

图8为控制电路原理图；

图9为断开系统等效寄生参数电路图；

图10为具体实施方式的电路原理框图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明：

本实施例为一种应用于大功率场合的混合直流接触器，在通断过程中消除电弧的影响，极大的提高了电接触的可靠性和接触器的使用电寿命。它是由大功率直流接触器和灭弧系统组成，其中灭弧系统又分为接触器闭合灭弧部分和接触器断开灭弧部分。直流接触器U2由接触器支架、动静触头、电磁线圈等组成，其控制电压为110V，电源系统U1输出110V电源信号给接触器线圈，产生吸力使接触器触头闭合导通；掉电后电磁吸力消失，触头分离。普通大功率直流接触器在额定工作状态下，触头在闭合和断开时刻会产生电弧现象，本发明由于具有完善的灭弧系统，可以实现混合接触器无弧通断。接触器闭合灭弧系统由电源转换电路模块U3、隔离电路模块U4、采样电路模块U5、闭合控制电路模块U6、延时输出电路模块U7、判断电路模块U8、驱动电路模块U9、电力电子器件U10及保护模块U11组成。电源转换电路U3将U1输出电压转换为系统各功能模块所需电源电压信号S12(5V)和S13(24V)。在接触器线圈上电时，延时输出模块检测到U3输出电信号S12，输出一定延时时间高电平信号S6给判断电路模块U8。在接触器U2闭合时刻，隔离模块U4检测接触器触头闭合电信号S2，并产生隔离输出信号S3给采样电路模块U5，控制电路模块U6接收采样输出信号S4，将控制高电平信号输出给判断模块U8。这样，判断电路U8同时接收来自控制模块U6和延时输出模块U7的高电平信号时，输出判断信号，以开启驱动电路模块U9。U9输出电力电子器件的驱动信号，使MOSFET U10导通。这样，MOSFET承担接触器触头弹跳时的电流负载，从而有效的消除了接触器触头闭合过程中的弹跳电弧。混合直流大功率接触器断开灭弧系统由保持电路模块U12、断开部分判断模块U13、断开部分控制模块U14、继电器U15、能量吸收模块U16和电力电容放电模块U17组成。接触器分断电弧消除原理为：在接触器U2线圈掉电时，触头经过大约50us的延时时间分离，在这段延时时间内利用继电器将能量吸收系统接入到接触器触头两端，是在触头分离时刻，吸收电弧能量，来消除电弧影响。在接触器U2未导通时，能量吸收模块U16通过继电器U15与放电模块U17相并联，使U16内的能量通过U17释放。在电源系统U1给接触器U2线圈上电时，保持模块U12保持该控制信号S1，在接触器掉电断开时，U12释放控制信号S9给判断模块U13，确定为释放信号时控制电路模块U14给继电器U15线圈上电，使其将能量吸收模块U16并联到接触器U2触头两端，以吸收接触器分断产生的电弧。

结合图10，其中各部分单元分别为U1 110V直流电源；U2直流接触器；U3电源转换电路；U4隔离电路；U5采样电路；U6闭合部分控制电路；U7延时输出电路；U8闭合部分判断电路；U9电力电子器件驱动电路；U10电力电子器件MOSFET；U11保护电路；U12保持电路；U13断开部分判断电路；U14断开部分控制电路；U15用于切换的继电器；U16能量吸收电路；U17电力电容放电电路。具体信号名称：S1电源输出110V电信号；S2接触器触头两端电压检测信号；S3隔离输出信号；S4采样信号；S5闭合部分控制信号；S6延时输出信号；S7闭合部分判断信号；S8MOSFET驱动信号；S9断开部分保持电路变化输出信号；S10断开部分判断电路输出信号；S11断开部分继电器控制信号。S125V电源信号；S1324V电源信号。

本实施例硬件设计如下：

(1)接触器闭合过程中触头弹跳电弧消灭系统设计

图1所示为闭合灭弧系统原理框图，由电源转换电路模块、信号隔离采集模块、控制电路模块、延时输出电路模块和MOSFET驱动电路模块组成。

结合图2，电源转换电路模块U3功能是将铁路机车用110V直流电转换为控制及驱动电路所需要的5V和24V直流电压。利用两个24V稳压管分压110V为24V，再分别利用24V-5V，24V-24V电源模块进行隔离电源转换，提供控制及驱动电路所需要的5V和24V电压。

信号隔离及采样电路模块U4、U5：

信号隔离采样电路如图3所示，通过快速光耦6N137检测接触器闭合时刻触头两端电压下降信号，产生高电平信号。6N137光耦元件反应时间为60到75纳秒，最高频率达10MHz，可以快速、可靠的采到触头接触信号。

控制电路模块U6：

控制电路如图4所示，该电路的作用是保证系统准确得到触头第一次接触信号输出维持一段时间的高电平控制信号，使整个系统正常、有效工作。控制电路同样可以有效抑制电路干扰所引起的无动作。或非门4001完成控制逻辑，有效快速。

延时输出电路模块U7：

延时输出电路如图5所示，该电路的作用是判断接触器U2线圈上电，以输出一定延时的高电平信号，其相关控制逻辑由或非门4001完成。延时信号利用RC电路作用完成。

驱动电路模块U8：

驱动电路如图6所示，该电路具有良好的驱动及保护功能。推挽电路采用大功率晶体管TIP122，TIP127提高电路的驱动能力，使其驱动瞬时电流达到5A，具备驱动大功率MOSFET的能力。

(2)接触器断开过程中触头分断电弧消灭系统设计

接触器断开过程系统动作如图7所示。大功率混合直流接触器分断过程电弧的消除方法是通过储能元件大容量电解电容吸收系统回路的能量来完成的。在接触器稳态闭合时电容处于放电状态，当接触器线圈掉电时刻，在其触头分离前将电容并联接入触头两端，这样，分断电弧能量可以被电容所吸收。

保持、判断及控制电路模块U12、U13、U14

保持、判断及控制电路如图8所示，该电路可以在接触器线圈掉电时刻，控制继电器动作，由于继电器动作的延时时间小于接触器动作延时时间，所以在接触器触头尚未分离时刻，储能电容已经切入回路并联在触头两端，在触头分离过程中吸收电弧能量。

(3)接触器分断电弧消灭系统优化设计

由于电解电容及电路导线有寄生参数存在，在接触器触头断开过程中，能量无法立即转换到电容中去，这样，会产生电弧并维持一段时间。灭弧系统中寄生参数越小，对应电弧维持的时间越短，对触头的损坏程度也就越小。本发明中，采用4个250V/2200uF的电解电容并联吸收电弧，经测量其寄生参数分别为：73.13mΩ/168nH，63.9mΩ/182nH，78.39mΩ/170nH，66.05mΩ/176nH。

本实施例中，通过对系统走线及PCB板布局的优化设计，使寄生参数达到最小值。PCB板采用紧密式布局形式，板面覆锡以增加走线宽度，减小寄生参数，基本上消除了电弧影响。优化后系统等效电路图如图9所示，其相关数值在表1中给出。

表1系统寄生参数数值

Claims (2)

1.一种大功率混合直流接触器，由直流接触器和灭弧系统组成，其特征在于其中灭弧系统又包括闭合灭弧系统和断开灭弧系统，闭合灭弧系统和断开灭弧系统分别并联在接触器触头两端；闭合灭弧系统由电源转换模块U3、隔离模块U4、采样模块U5、闭合控制模块U6、延时输出模块U7、判断模块U8、驱动模块U9、电力电子MOSFET器件U10及保护模块U11组成，电源系统U1连接直流接触器U2，同时通过电源转换模块U3连接隔离模块U4、采样模块U5、闭合控制模块U6和延时输出模块U7，并连接驱动电路U9；隔离模块U4与接触器U2的一触头直接相连，输出端连接采样模块U5，采样模块U5通过控制模块U6连接判断模块U8；延时输出模块U7的输出端连接判断模块U8，判断模块U8的输出端连接驱动电路U9，驱动电路U9连接电力电子MOSFET器件U10；电力电子MOSFET器件U10与保护模块U11串联连接后并联于接触器U2两端；断开灭弧系统由保持电路模块U12、断开部分判断模块U13、断开部分控制模块U14、继电器U15、能量吸收模块U16和电力电容放电模块U17组成；能量吸收模块U16通过继电器U15与放电模块U17相并联，电源系统U1连接接触器U2，保持模块U12的控制信号输出端连接判断模块U13，判断模块U13的控制输出端连接断开部分控制模块U14，断开部分控制模块U14连接继电器U15，能量吸收模块U16并联接触器U2触头两端。

2.根据权利要求1所述的大功率混合直流接触器的控制方法：由以下步骤完成：

步骤一、混合直流接触器线圈上电，触头经50ms的延时时间闭合，在接触器触头第一次接触时闭合灭弧系统检测到其接触电信号，瞬间导通电力电子器件MOSFET，承担接触器触头弹跳过程中的电流负载；

步骤二、混合直流接触器线圈掉电，触头经40ms的延时时间分断，通过断开灭弧系统检测线圈掉电信号，使继电器动作将能量吸收电路切入，并联到接触器触头两端，吸收接触器的分断电弧能量。

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