CN103887122B - 接触器-断路器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种接触器‑断路器装置(2,102,202)，该装置包括：开关(4)，该开关包括至少两对触头(10,12)，每对触头包括静触头(14,16)和动触头(18,20)，静触头(14,16)与电路(22)串联连接，开关(4)能够在电路(22)的闭合配置和电路(22)的打开配置之间转换；支撑构件(24)，用于移动触头(18,20)；以及电流断开模块(6)，该电流断开模块能够将电流从电路(22)转换到断开模块(6)；以及移动设备(26)，用于移动包括衔铁(44)的支撑构件(24)，移动设备(26)能够平移衔铁从而使得支撑构件通过平移和/或旋转运动在闭合配置和打开配置之间转换。

Description

接触器-断路器装置
技术领域
本发明涉及接触器-断路器装置领域。
更具体地，本发明涉及一种接触器-断路器装置，该装置包括：
-机械开关，该机械开关包括至少两对触头，每对触头包括能够互相接触的静触头和动触头，静触头与电路串联连接，机械开关能够在电路的闭合配置和电路的打开配置之间切换，其中在闭合配置每对触头的静触头和动触头机械接触，在打开配置至少一对触头的静触头和动触头互相分开。
-用于移动触头的支撑构件；以及
-电流断开模块，该电流断开模块包括半导体装置，当开关处在打开配置中时断开模块与其中一对触头并联，并且当开关处在打开配置中且电弧出现在至少一对触头中时断开模块能够将电流从电路转换到断开模块中并且中断电路中流通的电流。
背景技术
通常，一旦断开模块发现诸如电路中短路或过压等电气故障时，接触器-断路器装置利用断开模块一方面用于自动控制电路中电流的断开、即执行断路器功能，及另一方面用于有意地控制电路的电源、即执行接触器功能的电气设备。当接触器-断路器装置包括机械开关以及一个或多个半导体装置时，被称为“混合式”。
文献WO2011/018113描述了能够中断电路中故障电流的混合式电路断路器装置。它包括布置用于当电路中出现故障电流时打开电路的机械开关，以及切换故障电流的半导体电流断开模块。因而，半导体断开模块布置用于中断故障电流。机械开关包括两个连接于电路的静触头以及包括两个动触头的旋转臂，每个动触头能够与其中一个静触头接触。活动臂设置成使得当开关打开时，需要接触的每个动触头和每个静触头的分开距离不同。断开模块与当机械开关打开时具有最大分开距离的静触头和动触头并联。
但是，这样的装置并不能完全令人满意的。当故障电流出现在电路中时其关于机械开关打开速度的效果尤其不足。此外，在已有接触器-断路器上实施这样的装置以及在不使接触器尺寸过大的情况下获得显著的切断距离并不是特别容易。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种接触器-断路器装置，能够允许机械开关迅速打开进而允许故障电流从电路迅速转换到断开模块。
本发明的另一目的是提供一种接触器-断路器装置，使得可以获得大的切断距离并且利用已有接触器-断路器装置实现而不用增加体积和制造成本。
为此，本发明涉及一种用于移动包括衔铁的支撑构件的设备，移动设备能够平移衔铁使得支撑构件通过平移和/或旋转运动在电路的闭合配置和打开配置之间转换。
根据本发明的装置可包括一个或多个以下特征，单独考虑或根据任何技术可能的组合考虑：
-开关能够达到最大打开配置，并且装置包括止动部分，当开关达到最大打开配置时该止动部分能够使支撑构件的平移和/或旋转运动停止；
-止动部分能够驱动与平移运动互补的旋转运动，使得开关在最大打开配置具有大于移动设备的行程的最大打开；
-支撑构件可相对于平移轴线平移并且可相对于旋转轴线旋转，旋转轴线垂直于平移轴线；
-当开关在其最大打开配置时，对于每对触头、每个静触头和每个动触头之间的距离是不同的，并且断开模块与其中动触头和静触头之间距离最小的一对触头并联；
-当开关在其最大打开配置时，止动部分可以与其中动触头和静触头之间距离最小的一对触头的动触头接触，断开模块连接于止动部分；
-断开模块通过刚性导体连接于止动部分；
-动触头位于旋转轴线的两侧；
-动触头距离旋转轴线等距设置；
-装置包括电连接元件，并且动触头位于旋转轴线的同一侧；
-止动部分与电连接元件恒定接触；
-移动设备包括能够将支撑构件连接于衔铁的连接模块，连接模块包括用于使支撑构件摆转的枢轴和用于使支撑构件向衔铁返回的构件，枢轴位于平移轴线上而返回构件与平移轴线间隔开；
-连接模块包括能够限制支撑构件的旋转的止动支承；
-移动设备是电磁体；以及
-装置包括插座和限制构件，插座能够容纳限制构件以便锁止唯独地处在最大打开配置的开关。
附图说明
通过参考附图阅读以下仅作为实例提供的说明，将更好地理解本发明。
图1是根据本发明的装置的第一实施方式的示意图；
图2是根据本发明的装置的断开模块的示意图；
图3是根据本发明的装置的第一实施方式的细节示意图；
图4是处于最大打开配置的根据本发明的装置的第一实施方式的细节示意图；
图5是根据本发明的装置的第二实施方式的示意图；
图6是根据本发明的装置的第三实施方式的示意图；
图7是根据本发明的装置的第一操作步骤的示意图；
图8是根据本发明的装置的第二操作步骤的示意图；
图9是根据本发明的装置的第三操作步骤的示意图；
图10是根据本发明的装置的第四操作步骤的示意图；
图11是根据本发明的装置的第五操作步骤的示意图；
图12是根据本发明的装置的第六操作步骤的示意图；
图13是根据本发明的装置的第七操作步骤的示意图；
图14是根据本发明的装置的第八操作步骤的示意图；
图15是根据本发明的装置的第九操作步骤的示意图；以及
图16是在根据本发明的装置的不同操作阶段期间作为时间函数的装置中的电流以及装置端子间的电压的演化图。
具体实施方式
图1表示根据本发明的接触器-断路器装置2的第一实施方式。
装置2包括机械开关4和特别是包括半导体装置8的电流断开模块(currentcutoff module)6。机械开关4包括两对触头10、12，每对触头10、12包括静触头14、16和动触头18、20。
接触器-断路器装置2能够建立或阻断电路22中流通的电流，所述电路22连接于负载，例如电动机。电路22通过电线L图示在附图中。
接触器-断路器装置2还包括用于动触头18、20的支撑构件24以及用于移动支撑构件24的移动设备26。它还包括止动部分28。
触头对10、12的静触头14、16串联布置在电路22中。触头对10、12的动触头18、20通过支撑构件24互相机械连接以及电连接。
同一触头对10、12的每个静触头14、16和每个动触头18、20互相面对布置，从而使得它们可以互相机械接触和电接触地放置。
根据本发明，机械开关4可沿着平移轴线X平移并且能够在电路22的闭合配置和电路22的打开配置之间变化。在电路22的闭合配置中，每对触头10、12的静触头14、16和动触头18、20机械接触，从而使得电流能够在两对触头10、12之间流通。在电路22的打开配置中，至少一对触头10、12的静触头14、16和动触头18、20互相分离。
机械开关4还能够达到最大打开配置。最大打开配置表示在图4和12中并且在下文中将详细描述。
接触器-断路器装置2有利地包括插座30和限制构件31，如图12所示。插座30能够容纳限制构件31，从而阻止开关4，仅当开关4在最大打开配置时。
限制构件31例如是锁31。锁31将机械开关4连接于相对于插座30的固定支承(未示出)，允许机械开关4保持在其最大打开配置。
参考图2，电流断开模块6包括半导体装置8、二极管电桥32和变阻器34。有利的是，半导体装置8、二极管电桥32和变阻器34并联连接。
例如，半导体装置8是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)36。可替代的是，半导体装置8是双型性晶体管、MOSFET(金属氧化层半导体场效晶体管)、GTO(可关断)晶闸管或者MCT(金属氧化层半导体控制晶闸管)。
通常，半导体装置8可通过命令锁住并且准备，即，它能够可控地从接通状态变成阻止状态。
因此，断开模块6能够从电流在断开模块6中流通的接通状态变成在断开模块6中没有电流流通的阻止状态。
当开关4从电路的关闭配置变成打开配置时，动触头18和止动部分28接触，电弧出现在至少一对触头10、12的动触头18、20和静触头14、16之间，于是断开模块6能够切换从电路22到断开模块6的电流并且中断电路22中流通的电流。
有利地，如图1中所示，断开模块6通过刚性导体38连接于止动部分28。
支撑构件24由臂42构成，每对触头10、12的动触头18、20设置在该臂上。
移动设备26包括衔铁(armature)44。有利地，衔铁44例如利用图3和4中所示的连接模块46连接于支撑构件24，下文中将详细描述。
例如，移动设备26例如是电磁体。电磁体包括固定主体50和衔铁44，该固定主体包括至少一个线圈(未示出)和/或至少一个永磁铁。在下文中，电磁体比如包括单个线圈。
衔铁44沿着平移轴线X延伸并且在由线圈产生的磁场的作用下可沿着平移轴线X相对于固定主体50平移。因此，衔铁44相对于电磁体的固定主体50具有直线轨迹。
衔铁44的平移表示可动触头18、20的支撑构件24的平移和/或旋转。换言之，衔铁44能够平移和/或旋转支撑构件24，从而使得支撑构件24在电路22的闭合配置和打开配置之间变化。
根据本发明，支撑构件24沿着平移轴线X可平移。因此，支撑构件24通过例如沿着垂直轴线X的平移运动从闭合配置变到打开配置。
例如如图1所示，支撑构件24还优选地可相对于旋转轴线Y旋转，旋转轴线Y垂直于支撑构件24的平移方向，即垂直于平移轴线X。因此，支撑构件24能够通过例如通过沿着铅直轴线X平移和/或相对于旋转轴线Y旋转、从闭合配置变到最大打开配置。
在图3和4中，能够将支撑构件24连接于移动设备26的连接模块46详细示出。
连接模块46包括侧壁52、下壁54和上壁56。上臂56与下壁54相对。连接模块46还包括用于倾斜支撑构件24的支枢58和用于使支撑构件24向衔铁44、更具体地是朝向上壁56返回的返回构件60，返回构件60例如可以是弹簧。
连接模块46还包括能够限制支撑构件24的旋转的止动支承A。
上臂56固定于衔铁44并且垂直于平移轴线X延伸。
弹簧60平行于平移轴线X延伸并且具有第一端部62和第二端部64。第一端部62连接于连接模块46的上臂56，而第二端部64在支撑构件24的锚定点P处连接于支撑构件24。
有利地，支枢58平行于旋转轴线Y延伸，例如从下壁54向上壁56突出。枢轴58包括平行于旋转轴线Y以相同方式延伸的支撑边缘R。支撑构件24停靠在枢轴58上，更具体地是停靠在支撑构件24的支撑边缘R上。
优选地，锚定点P的位置离开平移轴线X，即，锚定点P相对于平移轴线X偏移开。另外有优选地，支枢58和支枢58的支撑边缘R位于平移轴线X上。
在图3中，开关4处在打开配置，而在图4中，开关处在最大打开配置。
如上所述并且如图4和12所示，机械开关4能够达到最大打开配置。在最大打开配置中，触头对10、12中的第一触头对10的静触头14和动触头18、被称作断开对10，彼此呈最大距离dc、被称作断开距离dc。于是断开对10的动触头18与止动部分28机械接触。第二对触头12的静触头16和动触头20、被称作切断对10，彼此呈最大距离ds、被称作切断距离ds。
支撑构件24可旋转的特征具有的优势在于，不必使电磁体46的最大行程等于切断距离，那会是特别昂贵的。
根据本发明，切断距离ds大约断开距离dc。事实上，切断距离ds必须特别大从而允许电路22的有效和可靠切断。
切断距离ds范围在1mm至12mm之间，优选地在5至9mm之间，特别是等于6mm。
断开距离dc范围在0.1mm和3mm之间，特别是等于1mm。
此外，闭合配置和最大打开配置之间的、由动触头18行进的距离范围在0.2mm和1.5mm之间。
根据本发明，当开关4处在最大打开配置时，断开模块6与触头对10并联连接，其中动触头18和静触头14之间的距离最小。换言之，断开模块6并联连接于断开对10。因此，提供了机械快关4的迅速打开、以及相应地故障电流从电路22到断开模块6的迅速切换。
有利地，例如如图1所示，动触头18、20位于旋转轴线Y的两侧且与旋转轴线Y等距。
当开关4达到最大打开配置时，止动部分28能够使支撑构件24的平移和/或旋转运动停止。优选地，止动部分28设置为与断开对10的动触头18相对、位于动触头18的与相同断开对10的相应静触头14相反的的一侧上。
因此，当机械开关4处在其最大打开配置时，止动部分28可与触头对10的动触头18相接触，其中分开动触头18和静触头14的距离最小。
根据本发明的装置102的第二实施方式如图5所示。
与装置2的第一实施方式不同，断开模块6通过金属织带（metal braid）66连接于支撑构件24。于是断开模块6连续地连接于支撑构件24，并因此连接于动触头14、18，不论开关是处在闭合、打开或是最大打开配置。
根据本发明的装置202的第三实施方式如图6所示。
与装置2的第一实施方式不同，动触头位于支撑构件24的旋转轴线Y的同一侧上。此外，支撑构件24包括电连接元件68。电连接元件68位于与动触头18、20一侧相反的一侧上。电连接元件68可于止动部分28相接触。
根据本发明所述的接触器-断路器装置2的第一实施方式的操作现将参考图7至15以及图16描述。
在图7至12中，示出了当它执行其断开开关功能时、根据本发明的装置2的相继操作步骤，而在图13至15中，示出了当它执行其连接器功能时，根据本发明的装置2的相继操作步骤。
图16示出了作为时间函数的、装置2中的电流和装置2端子间的电压的演化。图7至15示出的在装置2的操作期间装置2的不同状态分别对应于图16的部分VII至XV。
更具体地，曲线A描述在断开模块6中流通的电流的演化，曲线B描述了通过断开对10的触头14、18的电流的演化，曲线C描述了通过切断对12的触头16、20的电流的演化，而曲线D描述了装置2端子间的电压的演化。
为了图16的更好的易读性，曲线A和B相对于曲线C铅直地偏移。
在闭合位置中，机械开关4处在其金属导通配置，即每对触头10、12的静触头14、16和动触头18、20机械接触。这个操作阶段如图7中所示。没有电流在断开模块6中流通，如图16的部分VII所示。在闭合位置，断开模块6随遇地处于阻止或接通状态。
继故障电流在电路22中出现由自动保护(断路器的情况)引起的打开时，或者由打开命令(接触器的情况)引起的打开时，移动设备26使支撑构件24移动。
支撑构件24利用衔铁44移动，从而使得机械开关4从关闭配置变成打开配置，其中触头对10、12的动触头18、20和静触头14、16以非零距离分开。然后至少一电弧出现在触头对10、12的至少一个动触头18、20和至少一个静触头14、16之间。这个操作阶段如图8所示。
如图16的部分VIII所示，当分开的时候，弧电压Varc于是出现在每个动触头18、20和每个静触头14、16之间。装置2的端子间的电压于是等于2*Varc并且对应于出现在每对触头10、12中的弧电压。装置2连续传导电路22的电流。如图16的部分VIII所示，在断开模块6中没有电流流通，并且模块必须被准备好，换言之被命令导通，以便一旦动触头18与止动部分28接触而允许电流的传送。
接下来，支撑构件24继续其直线行程直到断开对10的动触头18与止动部分28接触为止。该配置如图9中所示，并且对应于图16的部分IX。在这个操作阶段的开始，半导体装置8被接通，使得电流开始在断开模块6中逐渐流通。半导体装置8选定为具有低于Varc的电压VON。位于断开对10中的电弧允许电路22中流通的电流逐渐向断开模块6切换，半导体装置8处在导通状态允许电流在断开模块6中流通。初始经过电路22的故障电流借助于止动部分28逐渐向与断开对10并联的断开模块6切换。可替代的是，半导体装置8从图8中所示的操作阶段以及图16的部分VIII开始接通。
在这个操作阶段结束时且如图16的部分X所示，电流完全切换到断开模块6中，并且断开对10的电弧熄灭。在如图16的部分X中所示的操作阶段期间，装置2的端子间的电压等于Varc+VON。
接下来，如图11、12以及图16的XI和XII部分所示，支撑构件24绕旋转轴线Y旋转。支撑构件24的旋转接续在衔铁44的超过触头18在部分28上的止动侧行程之后。事实上，止动部分28能够驱动与平移运动互补的旋转运动，使得开关4在最大打开配置中具有大于移动设备26行程的最大打开度。因而，开关4进入最大打开装配，即切断对12的触头16、20由切断距离ds分开，对应于此没有电流能够继续在两个触头16、20之间流通。
在阶段XI的初始，半导体装置8阻止，以便迫使电流在变阻器34中通过。变阻器34在其两端间具有电压Vvar。如图16的XI部分所示，装置2中得电流迅速减小直至变成零，如图16的XII部分所示。在XI阶段期间，装置端子间的电压等于Varc+Vvar。在XII阶段期间，由于电路22中电流是零，装置端子间电压等于负载端子间供给电压。
参考图12，装置2处在提供切断的最大打开配置。然后装置2通过被容纳在插座30中的限制构件31阻止在最大打开配置中。于是装置2被锁定在打开位置。这种限制使得能够确保在人干预期间在装置下游的人的安全。
参考图13至15以及图16，闭合时、即在断路器重启或接触器闭合期间装置2闭合时，装置2的操作如下所述地发生。
为了允许装置2的闭合，需要移除限制构件31。在闭合期间，装置2在初始状态处在如图12所示的配置中。
然后，支撑构件24移动，以便使切断对12的触头16、20相接触。这个操作阶段对应于图13和图16的XIII部分。半导体装置8仍处于阻止状态，因此没有电流在装置2中流通。
一旦仅仅切断对12的触头16、20相接触，半导体装置8被接通，使得装置2中重新建立电流。这个阶段对应于图16的XIII’部分。装置2的端子间电压等于VON。这样，切断对12的触头16、20之间没有电弧出现。
接下来，如图14中所示，动触头18移离止动部分28。电弧出现在止动部分28和动触头18之间。动触头28向静触头移动而离开止动部分28。然后装置2的端子间电压等于VON+Varc，如图16中XIV阶段所示。
最后，动触头18继续它的行程直至它并靠静触头14。一旦动触头18和静触头14彼此并靠，如图16的XV部分所示，断开模块6中的电流开始减小。在XV阶段期间当电流仍然非零时，装置2的端子间电压为零。
装置6中流通的电流减小直至它达到零。然后电流完全转换到金属传导。
然后装置2处在如图7和图16的VII阶段所示的配置。
装置2闭合，电流在电路22中流通而不再在断开模块6中流通。
因此，这种操作模式可以保护切断对12的触头16、20不受电弧寝室，提高根据本发明装置的电气耐久性。
装置102的第二实施方式的操作与装置2的第一实施方式的操作相似，不同点在于断开模块6持续连接于支撑构件24。
装置202的第三实施方式的操作与装置2的第一实施方式的操作相似，不同点在于在最大打开配置，止动部分28与电连接元件68机械接触。因此，在最大打开配置中，动触头18和止动部分28借助于支撑构件24和电连接元件68电接触。止动部分28的位置可被优化，从而减少断开对10的触头14、18之间的电弧的持续时间。止动部分28和电连接元件68例如是恒定接触的。
因此，由于支撑构件24的平移和/或旋转移动性，根据本发明的接触器-断路器装置使得它可以容易地实现在本领域的接触器-断路器上。根据本发明的装置使得可以获得快速打开阶段，并且因此当电路22中出现故障电流时获得快速有效的电流切换。

Claims (13)

1.一种接触器-断路器装置(2,102,202)，包括：
-机械开关(4)，该机械开关包括至少两对触头(10,12)，每对触头(10,12)包括能够互相接触的静触头(14,16)和动触头(18,20)，静触头(14,16)串联连接到电路(22)，机械开关(4)能够在电路(22)的闭合配置和电路(22)的打开配置之间切换，在闭合配置每对触头(10,12)的静触头(14,16)和动触头(18,20)机械接触，在打开配置至少一对触头(10,12)的静触头(14,16)和动触头(18,20)互相分开；
-用于所述动触头(18,20)的支撑构件(24)；以及
-电流断开模块(6)，该电流断开模块包括半导体装置(8)，当开关(4)处在打开配置中时断开模块(6)与其中一对触头(10,12)并联；而当开关(4)处在打开配置中且电弧出现在至少一对触头(10,12)中时；断开模块(6)能够将电流从电路(22)转换到断开模块(6)并且中断电路(22)中流通的电流，
其特征在于，它还包括用于移动支撑构件(24)、包括衔铁(44)的移动设备(26)，移动设备(26)能够平移衔铁(44)使得支撑构件(24)通过平移和/或旋转运动在电路(22)的闭合配置和打开配置之间切换，其中，开关(4)能够达到最大打开配置，并且装置(2)包括止动部分(28)，当开关(4)达到最大打开配置时该止动部分能够使支撑构件(24)的平移和/或旋转运动停止，
当开关(4)处于其最大打开配置时，止动部分(28)与其中动触头(18)和静触头(14)之间的距离为最小的一对触头(10)的动触头(18)相接触，
其特征在于，断开模块(6)连接于止动部分(28)。
2.根据权利要求1所述的装置(2,102,202)，其特征在于，止动部分(28)能够驱动与平移运动互补的旋转运动，使得开关(4)在最大打开配置具有大于移动设备(26)的行程的最大打开度。
3.根据权利要求1所述的装置(2,102,202)，其特征在于，支撑构件(24)可相对于平移轴线(X)平移并可相对于旋转轴线(Y)旋转，旋转轴线(Y)垂直于平移轴线(X)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(2,102,202)，其特征在于，当开关(4)处于其最大打开配置时，每个静触头(14,16)和每个动触头(18,20)之间的距离对于每对触头(10,12)是不同的，并且断开模块(6)与这样一对触头(10)并联，在这对触头中动触头(18)和静触头(14)之间的距离最小。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(2,202)，其特征在于，断开模块(6)通过刚性导体(38)连接于止动部分(28)。
6.根据权利要求3所述的装置(2,102)，其特征在于，动触头位于旋转轴线(Y)的两侧。
7.根据权利要求6所述的装置(2,102)，其特征在于，动触头设置在与旋转轴线(Y)等距的位置处。
8.根据权利要求3所述的装置(202)，其特征在于，它包括电连接元件(68)，并且动触头(18,20)位于旋转轴线(Y)的同一侧。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(202)，其特征在于，止动部分(28)与电连接元件(68)恒定接触。
10.根据权利要求3所述的装置(2,102)，其特征在于，移动设备(26)包括能够将支撑构件(24)连接于衔铁(44)的连接模块(46)，连接模块(46)包括用于使支撑构件(24)摆转的支枢(58)和用于使支撑构件(24)向衔铁(44)返回的返回构件(60)，支枢(58)位于平移轴线(X)上而返回构件(60)设置成与平移轴线(X)分开。
11.根据权利要求10所述的装置(2,102)，其特征在于，连接模块(46)包括能够限制支撑构件(24)的旋转的止动支承(A)。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(2,102,202)，其特征在于，移动设备(26)是电磁体。
13.根据权利要求1至3中任一项所述的装置(2,102,202)，其特征在于，装置(2)包括插座(30)和限制构件(31)，插座能够容纳限制构件(31)以便唯独在最大打开配置锁止开关(4)。
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