CN102414766A - 一种用于控制真空开关的电磁致动器的电路 - Google Patents

一种用于控制真空开关的电磁致动器的电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于真空断路器的高压开关装置的磁致动器电路，包括至少一个永磁体和与晶体管开关(4)串联连接的至少一个线圈(3)，其中机电开关(EM1)与晶体管开关(4)和线圈(3)串联连接，第一机电开关(EM1)和晶体管开关(4)具有断开的缺省状态，以使得机电开关在晶体管开关闭合的时刻之前的时刻闭合，并且使得一旦晶体管开关已经返回到断开状态它就返回到断开状态。用于将中介体和/或高压装置置于电路中和从电路中取出的应用。

Description

一种用于控制真空开关的电磁致动器的电路
技术领域
本发明涉及用于高压开关装置的包含至少一个永磁体的磁致动器电路，更具体地涉及一种用于真空断路器的高压装置的磁致动器电路。
背景技术
用于高压装置的磁致动器用于将高压装置放入电路中或用于从电路中取出。通过闭合致动器将高压装置接入电路，以及通过断开致动器将它从电路中取出。
磁致动器一般具有用在闭合操作中的闭合线圈，以及用在断开操作中的断开线圈。
磁致动器的闭合线圈和断开线圈互相绝缘。尽管有此绝缘，但是仍然存在存留在这些线圈之间的残留磁耦合，以致在线圈之一上的电压的存在使得在另一个线圈中生成电压。因而，在闭合磁致动器的操作中，由于线圈之间的残余耦合，施加在致动器的闭合线圈上的电压在断开线圈中生成电压。当断开操作以快速接替方式跟随闭合操作时(例如当闭合短路时)，在断开线圈中生成的电压然后与闭合信号的电压相反，从而增大了断开电流和/或断开时间。
对于具有机电开关的磁致动器，开关的断开时间(也就是线圈中的电流的上升的持续期间、触点的移动的持续期间，包括电弧的持续期间)然后变得过大。这就是为什么晶体管开关已经代替了机电开关，因为晶体管开关能够使得非常快速地中断电流。但是，晶体管开关的一个主要缺点在于这些组件的最普遍的损坏原因，即它们有变成短路的倾向。晶体管开关可以在各种环境下变成短路，即例如：
·控制电路的一部分的热散逸；
·例如在装置的操作期间的源自内部的过电压，或例如在发生闪电时的源自外部的过电压；
·过早老化；
·超过指定值的电磁干扰电平；和
·错误的监视/控制布线。
图1通过举例示出了用于具有闭合线圈的真空断路器的现有技术磁致动器电路。
致动器电路包括由例如充电器1和与充电器1并联连接的电容器2组成的电源电路A、线圈3、晶体管开关4、用于控制晶体管开关4的控制电路5和永磁体(图中未示出)。在致动器的线圈中没有电流的情况下，永磁体使得可以将致动器的核(core)锁定在与真空断路器的闭合状态对应的位置。开关3和晶体管开关4串联连接，并且在端子P1和P2之间构成与电源电路A并联连接的组合。晶体管开关4例如是晶体管，在它的栅极接收由电路5传送的开关控制信号。在此致动器电路的控制下闭合的装置连接在端子P1和P2之间(但是所述装置没有在图1中显示)。在此种致动器电路中，不考虑可以被施加到晶体管的栅极的控制信号，意外短路的晶体管使得恒定电流经过线圈3，并且此电流引起几百到数千牛顿的力。此力使得真空断路器的触点移动几毫米。此移动是不可接受的，即使仅仅是部分移动使得触点不接触也是不可接受的。本发明提供能够消除此缺点的装置。
发明内容
因此，本发明提供一种用于真空断路器的高压开关装置的磁致动器电路，包括与晶体管开关串联连接的至少一个线圈，该晶体管开关在控制端上接收将晶体管开关置于闭合状态或断开状态的第一控制信号，该致动器电路的特征在于，它还包括与该晶体管开关和线圈串联连接的第一机电开关，该第一机电开关被布置为在控制端上接收将第一机电开关置于闭合状态或断开状态的第二控制信号，该第一机电开关和晶体管开关具有断开状态的缺省状态，以使得第二控制信号：
a)在施加将晶体管开关置于它的闭合状态的第一控制信号之前的时刻将该机电开关置于闭合状态；以及
b)一旦该晶体管开关已被返回到它的断开状态，就将该机电开关返回到它的断开状态。
根据本发明的附加特征，第二机电开关机械地耦合到第一机电开关，以使得第一机电开关和第二机电开关由公共的控制信号控制，第二机电开关具有连接到检测电压的第一端子和连接到电压检测电路的第二端子。
根据本发明的进一步的附加特征：
·第三机电开关串联连接在被布置为传送所述第一控制信号的开关电路的第一输出端子和该晶体管开关的控制端之间；和
·机电开关，其是操作该控制电路的触发电路的一部分，机械地耦合到该第三机电开关，以使得第三机电开关和该作为该触发电路的一部分的机电开关由公共的控制信号控制。
根据本发明的进一步的附加特征，信号成形电路串联连接在该第三机电开关和该晶体管开关的控制输入端之间，以使得延长施加到晶体管开关的控制输入端的控制信号的持续期间。
根据本发明的进一步的附加特征：
·第四机电开关串联连接在被布置为传送第二控制信号的控制电路的第二输出端子和第一机电开关的控制端子之间；和
·机电开关，其是操作该控制电路的触发电路的一部分，机械地耦合到该第四机电开关，以使得第四机电开关和该作为该触发电路的一部分的机电开关由公共的控制信号控制。
根据本发明的进一步的附加特征，成形电路串联连接在该第四机电开关和第一机电开关的控制输入端之间，以使得延长施加到第一机电开关的控制输入端的控制信号的持续期间。
根据本发明的进一步的附加特征，与所述线圈并联连接的组件被布置为通过限制线圈的尾端之间的过电压来耗散在磁致动器的切换操作期间释放的能量。
根据本发明的进一步的附加特征，该磁致动器电路具有两个单独的线圈，由被布置为用于将高压装置置于电路中的第一线圈和被布置为用于将高压装置从电路中取出的第二线圈构成。
根据本发明的进一步的附加特征，该线圈被布置为用于将中介体(medium)和/或高压装置置于电路中以及从电路中取出。
本发明的磁致动器电路具有在它的控制下避免装置的任何意外操作的优点。由于机电开关在致动器电路中的存在，由致动器电路在该装置中建立的电流比现有技术稍微慢地被建立。但是建立该电流所用的此附加时间不是缺点，因为在所有情况下，该时间仍然比装置的闭合或断开时间短甚至短得多。
附图说明
通过参考附图阅读说明书中的优选实施例，本发明的进一步的特征和优点将显现，其中：
·已经描述的图1示出了具有闭合线圈的现有技术的用于真空断路器的晶体管磁致动器电路；
·图2示出了具有闭合线圈的本发明的用于真空断路器的晶体管磁致动器电路；
·图3示出了对图2所示的致动器电路的第一改进；
·图4示出了对图2所示的致动器电路的第二改进的第一版本；
·图5示出了对图2所示的致动器电路的第二改进的第二版本；
·图6示出了对图2所示的晶体管致动器电路的第三改进；
·图7A到7D示出了具有闭合线圈和断开线圈的本发明的晶体管致动器电路的各种版本；和
·图8A到8D示出了具有用于闭合和断开二者的单个线圈的本发明的晶体管致动器电路的各种版本。
在所有图中，相同的参考标记指定相同的元素。
具体实施方式
图2示出了具有闭合线圈的本发明的晶体管磁致动器电路。
除电源电路A、永磁体(图中未示出)、闭合线圈3、晶体管开关4和控制电路5之外，本发明的致动器电路包括与闭合线圈3串联的机电开关EM1。元件EM1、3和4串联连接在端子P1和P2之间。线圈b以本身已知的方式连接在机电开关EM1的控制电路上。机电开关EM1的控制信号由控制电路5传送。控制电路5例如是微处理器。在禁止状态中，开关4和EM1处于阻断状态(开路)。一旦已经决定使得晶体管开关4导电(晶体管开关4闭合)，将控制信号施加于开关EM1以便闭合它(即将它置于导电状态)。因而，例如，在晶体管开关4闭合之前的5毫秒，将控制信号施加于开关EM1以便闭合开关EM1，在晶体管开关4再次被切换到开路之后开关EM1再一次断开。
因而，除在基本上等于晶体管开关4的操作的时间段期间之外，包含机电开关EM1、线圈3和晶体管开关4的电路的臂有利地是开路。晶体管控制电路5中的故障(诸如此组件短路)不导致任何故障。因此，在致动器电路的控制下，不可能有该装置的不合适的操作。
机电开关的最频繁的故障模式是开关进入永久开路状态。一旦开关EM1的故障发生，到晶体管开关4的任何命令不再能够产生任何效果，以及在致动器电路的控制下的装置也不再能够被控制。在开关EM1的这样的故障状态下，在致动器电路的控制下的装置然后有利地继续防止任何不合适的操作。
开关EM1的另一种故障模式是闭路模式，其被称为被“卡住(stuck)”。在本发明的第一实施例中，如图3所示，致动器电路包括能够检测闭合的开关(即，吸持继电器)的状态的检测装置，并且此故障状态可以有利地被信号发送。该检测装置由机电开关EMd构成。开关EMd具有连接到检测电压V1的第一端子和连接到控制电路5的控制输入端的第二端子。以本身已知的方式，开关EMd与开关EM1机械接合，以使得它是施加到这两个开关的相同的控制信号。因此开关EMd和EM1同时闭合或断开。于是当开关EM1处于它的“卡住”的闭合状态时，开关EMd也闭合，并且电压V1由控制电路检测到。
可以通过分别如图4和5所示在晶体管开关4的控制下或在机电开关EM1的控制下提供断开装置来改进致动器电路的操作。除了电源电路A、线圈3、机电开关EM1、线圈b、晶体管开关4和控制电路5之外，致动器电路于是包括附加的机电开关并且以本身已知的方式利用控制控制电路5的触发电路。触发电路由脉冲发生器7和机电开关EMb构成，机电开关EMb具有连接到控制电路5的控制输入端的第一端子和连接到参考电压Vref的第二端子。由发生器7传送的脉冲施加在开关EMb的控制端子上，从而使得控制电压Vref能够施加到电路5的控制输入端。
图4示出了本发明的致动器电路，其中是晶体管开关的控制具有断开装置。第三机电开关EMa串联连接在开关控制电路5和晶体管开关的控制端子之间。机电开关EMa和EMb机械地接合在一起，以使得相同的控制信号施加于这二者。因而由脉冲发生器7传送的一个控制脉冲同时命令开关EMa和EMb。在没有发生器7传送的任何脉冲的情况下，开关EMa处于开路以及获得没有控制信号施加于晶体管开关4的优点。一旦脉冲由发生器7传送，开关EMa就闭合并且控制信号施加于晶体管开关4。由脉冲发生器传送的脉冲的持续期间一般比不得不施加到致动器的线圈的脉冲的持续期间短。因此，信号成形电路6串联连接在晶体管开关4的控制端子和开关EMa之间，以便加长施加到晶体管开关的脉冲的持续期间。对于在基本上等于10毫秒(ms)的持续期间内接收的脉冲，信号成形电路6然后传送例如具有基本上等于100ms的持续期间的脉冲，其是与应当施加到致动器的线圈的脉冲的持续期间兼容的持续期间。
诸如这样的电路具有阻止任何不希望的电流流入致动器的线圈的优点。
参考图5，是断开装置应用于机电开关EM1的控制。机电开关EMc在这里串联连接在控制电路5和机电开关EM1的控制端子之间。用和上面参考图4所述的一样的方法，元件EMc、EMb、6和7用于阻止任何不希望的电流流入致动器的线圈。
图6示出了对图2所示的晶体管致动器电路的第三改进。在此第三改进中，提供组件8与线圈3并联连接，并且可以例如是可变电阻器，在致动器电路的切换操作期间释放的能量耗散在组件8中。线圈两端的过电压限于可接受值，以及电流流动的时间没有显著地改变。
图2到6对应于本发明的致动器电路具有专门用作闭合线圈的单个线圈的实施例。本发明还涉及其它的实施例，即如下：
·致动器电路具有两个线圈的实施例，一个线圈用于闭合并且另一个用于断开；以及
·致动器电路具有选择性地既用于闭合又用于断开的单个线圈的实施例。
图7A示出了本发明的具有闭合线圈和断开线圈的晶体管致动器电路的第一变型。
该电路包括由例如充电器1和电容器2组成的电路A、与机电开关EM2和晶体管开关11串联的闭合线圈9、与机电开关EM3和晶体管开关12串联的断开线圈10、被布置为传送用于各个开关的控制信号的控制电路5、和继电器线圈b。串联连接的元件EM2、9和11一起构成连接在端子P1和P2之间的支路，与由元件EM3、10和12的串联构成的支路并联。开关EM2和11控制连接在端子P1和P2之间的装置(图7A未示出)的断开，并且开关EM1和12控制同一个装置的闭合。
参考图3到6描述的对于图2所示的本发明的实施例的所有改进加以必要的变更适用于图7A所示的实施例。
图7B示出了本发明的具有闭合线圈和断开线圈的晶体管致动器电路的第二变型。
在此第二变型中，闭合线圈9串联连接在两个机电开关EM4和EM5之间，并且断开线圈10串联连接在两个机电开关EM6和EM7之间。元件组EM4、9和EM5与元件组EM6、10和EM7并联连接。机电开关EM4和EM6具有公共端子，即端子P1，以及机电开关EM5和EM7具有公共端子，即晶体管开关13的第一端子，晶体管开关13具有第二端子，即端子P2。以本身已知的方式，线圈b连接到对于各个机电开关的控制电路。在空闲状态中，所有开关(EM4、EM5、EM6、EM7、13)断开(即，它们处于它们的不导电状态)。
根据本发明，在闭合连接在端子P1和P2之间的装置的操作期间，机电开关EM4和EM5响应于稍微在晶体管开关13闭合(置于导电状态)之前施加到它们的控制信号而同时闭合(置于导电状态)，以及一旦晶体管开关13再一次被切换到开路，它们就同时断开(置于它们的不导电状态)。
类似地，在断开操作期间，机电开关EM6和EM7响应于稍微在晶体管开关13闭合(置于导电状态)之前施加到它们的控制信号而同时闭合(置于导电状态)，以及一旦晶体管开关13再一次被切换到开路，它们就同时断开(置于它们的不导电状态)。
参考图3到6描述的对于图2所示是本发明的实施例的所有改进加以必要的变更适用于图7B所示的实施例。
图7C示出了本发明的具有闭合线圈和断开线圈的晶体管致动器电路的第三变型。
在此第三变型中，闭合线圈9串联连接在两个晶体管开关14和15之间，并且断开线圈10串联连接在两个晶体管开关16和17之间。元件组14、9和15与元件组16、10和17并联连接。晶体管开关15和17具有公共端子，即端子P2，以及晶体管开关14和16具有公共端子，即机电开关EM8的第一端子，机电开关EM8具有第二端子，即端子P1。以本身已知的方式，线圈b连接到对于各个机电开关的控制电路。在空闲状态中，所有开关(14、15、16、17、EM8)断开(即，它们处于它们的不导电状态)。
根据本发明，在闭合连接在端子P1和P2之间的装置的操作期间，机电开关EM8响应于稍微在晶体管开关14和15同时闭合(置于导电状态)之前施加到它的控制信号而同时闭合(置于导电状态)，以及一旦晶体管开关14和15再一次被切换到开路，它就断开(置于它的不导电状态)。
类似地，根据本发明，在断开操作期间，机电开关EM8响应于稍微在晶体管开关16和17同时闭合(置于导电状态)之前施加到它的控制信号闭合(置于导电状态)，以及一旦晶体管开关14和15再一次同时被置于开路，它就断开(置于它的不导电状态)。
参考图3到6描述的对于图2所示是本发明的实施例的所有改进加以必要的变更适用于图7C所示的实施例。
图7D示出了本发明的具有闭合线圈和断开线圈的晶体管致动器电路的第四变型。
断开线圈10串联连接在两个机电开关EM9和EM10之间，以及闭合线圈9串联连接在两个晶体管开关18和19之间。线圈9的第一端子连接到线圈10的第一端子，并且这些第一端子连接到机电开关EM9的第一端子以及连接到晶体管开关18的第一端子，机电开关EM9和晶体管开关18的第二端子连接到端子P1。线圈10的第二端子连接到机电开关EM10的第一端子，机电开关EM10的第二端子连接到P2，而线圈9的第二端子连接到晶体管开关19的第一端子，晶体管开关19的第二端子还连接到端子P2。在空闲状态中，所有开关(EM9、EM10、18、19)断开(即，它们处于它们的不导电状态)。
在断开连接在端子P1和P2之间的装置的操作中，机电开关EM10稍微在晶体管开关18之前闭合，然后一旦晶体管开关18已经切换到它的断开状态，机电开关EM10就断开。在此操作期间，开关EM9和19保持断开。电流I1流入由元件18、10和EM10构成的支路(参见图7D)。在闭合操作期间，机电开关EM9稍微在晶体管开关19闭合之前闭合，然后一旦晶体管开关19已经断开就再次断开。在此操作期间，开关EM10和18保持断开。电流I2流入由元件EM9、9和19构成的支路。
参考图3到6描述的对于图2所示是本发明的实施例的所有改进加以必要的变更适用于图7D所示的实施例。
如下描述图8A到8D：它们示出了本发明的致动器的几个不同的变型，其中致动器仅仅具有一个线圈、其被选择性地用于闭合和断开。图8A到8D所示的电路分别对应于图7A到7D所示的电路。这里使用的词“对应”应当被理解为意指，对于涉及的电路，机电开关和晶体管开关相同，它们以同样的方式与各个端子P1和P2连接。
图8A示出了本发明的具有用于断开和闭合二者的单个线圈的晶体管致动器电路的第一变型。此电路对应于图7A中的电路，其意味着开关EM2、EM3、11和12连接到端子P1和P2，如图7A的电路中一样。
开关EM2和11串联连接，如开关EM3和12一样。单个线圈20的第一端子连接到将开关EM2和11连接在一起的公共端子，而单个线圈20的第二端子连接到将开关EM3和12连接在一起的公共端子。因此闭合电路由元件EM3、20和11构成，而断开电路由元件EM2、20和12构成。对于闭合操作，开关EM3具有包括闭合开关11所花的时间的闭合时间，开关EM2和12保持断开，而对于断开操作，开关EM2具有包括闭合开关12所花的时间的闭合时间，开关EM3和11保持断开。
参考图3到6描述的对于图2所示是本发明的实施例的所有改进加以必要的变更适用于图8A所示的实施例。
图8B示出了本发明的具有用于断开和闭合二者的单个线圈的晶体管致动器电路的第二变型。图8B的电路对应于图7B的电路。它包括机电开关EM4、EM5、EM6和EM7和晶体管开关13，这些开关用和图7B所示的电路一样的方法连接到各个端子P1和P2。单个线圈20具有连接到开关EM4和EM5的公共端子的第一端子，以及连接到开关EM6和EM7的公共端子的第二端子。闭合电路由开关EM4、线圈20、开关EM7和开关13构成，而断开电路由开关EM6、线圈20、开关EM5和开关13构成。对于闭合操作，开关EM4和EM7闭合，而开关EM5和EM6保持断开，而对于断开操作，开关EM5和EM6闭合而开关EM4和EM7保持断开。
参考图3到6描述的对于图2所示是本发明的实施例的所有改进加以必要的变更适用于图8B所示的实施例。
图8C示出了本发明的具有用于断开和闭合二者的单个线圈的晶体管致动器电路的第三变型。图8C的电路对应于图7C的电路。它包括四个晶体管开关14、15、16和17，连同一个机电开关EM8。开关EM8、14和16用和图7C所示的电路一样的方法连接到端子P1。类似地，开关15和17用和如7C所示的电路一样的方法连接到端子P2。单个线圈20具有连接到开关14和15的公共端子的第一端子，以及连接到开关16和17的公共端子的第二端子。闭合电路由开关EM8、开关14、线圈20和开关17构成，而断开电路由开关EM8、开关16、线圈20和开关15构成。同一个机电开关EM8用于闭合操作以及也用于断开操作。
参考图3到6描述的对于图2所示是本发明的实施例的所有改进加以必要的变更适用于图8C所示的实施例。
图8D示出了本发明的具有用于断开和闭合二者的单个线圈的晶体管致动器电路的第四变型。图8D中的电路对应于图7D中的电路。它包括两个机电开关EM9和EM10以及两个晶体管开关18和19。开关EM9和18用和图7D所示的电路一样的方法连接到端子P1。类似地，开关EM10和19用和7D所示的电路一样的方法连接到端子P2。闭合电路由开关18、线圈20和开关EM10构成，而断开电路由开关EM9、线圈20和开关19构成。对于闭合操作，开关EM10闭合，开关EM9保持断开，而对于断开操作则相反，以使得开关EM9闭合而开关EM10保持断开。
参考图3到6描述的对于图2所示是本发明的实施例的所有改进加以必要的变更适用于图8D所示的实施例。

Claims (9)

1.一种用于真空断路器的高压开关装置的磁致动器电路，包括至少一个永磁体和与晶体管开关(4)串联连接的至少一个线圈(3)，该晶体管开关(4)在控制端子上接收将该晶体管开关置于闭合状态或断开状态的第一控制信号，该致动器电路的特征在于，它还包括与该晶体管开关(4)和线圈(3)串联连接的第一机电开关(EM1)，该第一机电开关被布置为在控制端子上接收将第一机电开关(EM1)置于闭合或断开状态的第二控制信号，该第一机电开关和晶体管开关具有作为断开状态的缺省状态，以使得第二控制信号：
a)在施加将晶体管开关置于它的闭合状态的第一控制信号之前的时刻将该机电开关置于闭合状态；以及
b)一旦该晶体管开关已被返回到它的断开状态，就将该机电开关返回到它的断开状态。
2.根据权利要求1所述的致动器电路，其中第二机电开关(EMd)机械地耦合到第一机电开关(EM1)，以使得第一机电开关(EM1)和第二机电开关(EMd)由公共控制信号控制，该第二机电开关具有连接到检测电压(V1)的第一端子和连接到电压检测电路的第二端子。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的致动器电路，其中：
·第三机电开关(EMa)串联连接在被布置为传送所述第一控制信号的控制电路(5)的第一输出端子和该晶体管开关(4)的控制端子之间；和
·机电开关(EMb)，其属于操作该控制电路(5)的触发电路(EMb、7、Vref)的一部分，其机械地耦合到第三机电开关(EMa)，以使得该第三机电开关和作为该触发电路的一部分的机电开关(EMb)由公共控制信号控制。
4.根据权利要求3所述的致动器电路，其中信号成形电路(6)串联连接在该第三机电开关和该晶体管开关的控制输入端之间，以使得延长施加到晶体管开关的控制输入端的控制信号的持续期间。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的致动器电路，其中：
·第四机电开关(EMc)串联连接在被布置为传送第二控制信号的控制电路(5)的第二输出端子和第一机电开关(EM1)的控制端子之间；和
·机电开关(EMb)，其属于操作该控制电路(5)的触发电路(EMb、7、Vref)的一部分，其机械地耦合到第四机电开关(EMc)，以使得该第四机电开关(EMc)和作为该触发电路的一部分的机电开关(EMb)由公共控制信号控制。
6.根据权利要求5所述的致动器电路，其中信号成形电路(6)串联连接在该第四机电开关和第一机电开关的控制输入端之间，以使得延长施加到该第一机电开关的控制输入端的控制信号的持续期间。
7.根据任何一个前述权利要求所述的致动器电路，其中与所述线圈(3)并联连接的组件(8)被布置为通过限制线圈的尾端之间的过电压来耗散在磁致动器的切换操作期间释放的能量。
8.根据任何一个前述权利要求所述的致动器电路，其特征在于，它具有两个单独的线圈，由被布置为用于将高压装置置于电路中的第一线圈(9)和被布置为用于将该高压装置从电路中取出的第二线圈(10)构成。
9.根据权利要求1到7中的任何一个所述的致动器电路，其中该线圈(20)被布置为用于将中介体和/或高压装置置于电路中和从电路中取出。
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