CN105428118B - 灭弧装置及无弧开关 - Google Patents

Abstract

本发明灭弧装置及无弧开关属于电学领域，其包括一晶闸管、一限流元件、一电流互感器及一电子开关，晶闸管用于与所需灭弧的机械开关并联，电流互感器用于与机械开关连接，电流互感器检测通过机械开关的电流，晶闸管的导通电流不经电流互感器，电流互感器的输出端与电子开关的控制端连接，电流互感器输出的信号用于驱动电子开关，驱动晶闸管导通的驱动信号由晶闸管的主回路端通过限流元件连接至晶闸管的控制极，电子开关与驱动信号的回路连接，本发明灭弧装置具有晶闸管工作导通时间短、适应范围广的优点。

Description

灭弧装置及无弧开关

技术领域

本发明的灭弧装置及无弧开关属于电学领域，特别是一种用于机械开关灭弧的灭弧装置及一种无电弧、电寿命长、高可靠的无弧开关。

背景技术

目前在电气控制系统中，广泛使用接触器、继电器等机械开关对负载进行接通分断控制，但由于普通灭弧用途的灭弧栅，需要分断电弧拉到一定长度，才能起作用，存在灭弧效果差，分断负载时电弧大，导致触点容易烧损的缺点。

为此，出现了用于机械开关灭弧的灭弧装置，如专利号为CN01201907.0，名称为“电子灭弧器”；专利号为CN200910306608.6，名称为“基于光耦的混合式交流接触器无源开关驱动控制器”，两个专利所揭示的是采用晶闸管与接触器机械开关并联的方式，供电电源与接触器的控制线圈连接，接触器机械开关分断前，提供一个控制晶闸管导通的驱动信号，在接触器的控制线圈失电，当机械开关在分离时，晶闸管导通，通过供电电路的滤波电容放电延时，延时关断晶闸管导通的驱动信号，晶闸管截止，完成无电弧分断过程，其存在以下缺点：

1、由于从接触器的控制线圈失电到机械开关分断，有一段不确定延时时间，为确保机械开关分断之后晶闸管才关断来保证可靠灭弧，晶闸管需要导通时间较长(一般在几十毫秒以上)，这种采用机械开关分断后延时关闭控制信号的控制方式，势必会增加晶闸管不必要的导通工作时间，晶闸管的导通工作时间长，导致整个灭弧装置的过载能力差、可靠性低。

2、其电路需要由接触器的控制线圈的供电电源供电，如在按钮、断路器、行程开关等无驱动电源的机械开关中无法使用，存在适应范围小的缺点。

发明内容

本发明的目的在于避免现有灭弧装置的不足之处而提供一种具有晶闸管工作导通时间短，驱动能耗低、无需外接工作电源、电路简单，可在按钮、断路器、行程开关等无驱动电源的机械开关中使用，适应范围广的灭弧装置。

实现本发明的目的是通过以下技术方案来达到的：

一种灭弧装置，其包括一晶闸管、一限流元件、一电流互感器及一电子开关，所述晶闸管用于与所需灭弧的机械开关并联，所述电流互感器用于与所述机械开关连接，所述电流互感器检测通过所述机械开关的电流，所述晶闸管的导通电流不经所述电流互感器，所述电流互感器的输出端与所述电子开关的控制端连接，所述电流互感器输出的信号用于驱动所述电子开关，驱动所述晶闸管导通的驱动信号由所述晶闸管的主回路端通过所述限流元件连接至所述晶闸管的控制极，所述电子开关与所述驱动信号的回路连接。

一种灭弧装置，所述限流元件为第一电容。

一种灭弧装置，还包括第一电阻，所述第一电阻与所述第一电容组成串联电路，所述驱动信号通过所述串联电路、所述电子开关连接到所述晶闸管的控制极，所述电子开关连接至少一稳压器件，所述稳压器件对所述驱动信号分流，用于保护所述电子开关。

一种灭弧装置，所述电子开关为一半导体开关电路，所述半导体开关电路的耐压值小于所述晶闸管两端的额定工作电压。

一种灭弧装置，所述半导体开关电路包括晶体管、一整流电路，所述整流电路的直流输出端与所述晶体管的输出端连接，所述晶体管的输入端与所述电流互感器的输出端连接。

一种灭弧装置，所述晶体管包括第一晶体管、第二晶体管，所述第一晶体管的输入端与所述第二晶体管的输入端反向并联组成并联电路，所述并联电路与所述电流互感器的输出端连接。

一种灭弧装置，所述半导体开关电路包括第一整流电路、第二整流电路、一晶体管，所述第一整流电路的第一交流输入端与所述驱动信号连接，所述第一整流电路的第二交流输入端与所述晶闸管的控制极连接，所述第一整流电路的直流输出端与所述晶体管的输出端连接，所述第二整流电路的交流输入端与所述电流互感器的输出端连接，所述第二整流电路的直流输出端与所述晶体管的控制端连接。

一种灭弧装置，所述晶体管为三极管或场效应管。

一种灭弧装置，所述第二整流电路的直流输出端并联第二电容。

一种灭弧装置，所述第二电容并联第二电阻，所述第二电阻用于对所述第二电容放电。

一种灭弧装置，在所述电流互感器无输出电信号时，所述第二电容存储电荷驱动所述晶体管输出的时间小于通过所述机械开关的交流电半个周波。

一种灭弧装置，所述第二电容与第三电阻串联组成阻容电路，所述晶体管输入端串联第四电阻组成串联驱动电路，所述阻容电路与所述串联驱动电路并联。

一种无弧开关，其包括以上所述的灭弧装置、所述机械开关，所述灭弧装置与所述机械开关连接。

如图1所示，为本发明灭弧装置及无弧开关的工作原理图，其包括晶闸管TR1、第一电容C1(限流元件)、电流互感器CT1及电子开关(A)，晶闸管TR1与所需灭弧的机械开关SW1并联，电流互感器CT1与机械开关SW1连接，电流互感器CT1检测通过机械开关SW1的电流，晶闸管TR1的导通电流不经电流互感器CT1，电流互感器CT1的输出端与电子开关(A)的控制端连接，电流互感器CT1输出的信号用于驱动电子开关(A)，驱动晶闸管TR1导通的驱动信号由晶闸管TR1的主回路端通过第一电容C1、再通过电子开关(A)连接至晶闸管TR1的控制极，由于机械开关SW1在接通和分断时且存在电流通过才会有电弧产生，在机械开关SW1断开过程中，当机械开关SW1有电流通过时，电流互感器CT1输出信号控制电子开关(A)，驱动晶闸管TR1导通的驱动信号连接到晶闸管TR1的控制极触发晶闸管TR1导通，用于机械开关SW1断开灭弧，一旦晶闸管TR1导通，机械开关SW1无电流通过，电流互感器CT1无输出信号，晶闸管TR1电流过零时自行关断，导通时间极短，可达半个周波。注：这里电子开关(A)与晶闸管TR1驱动信号的回路连接为串联连接，当电子开关(A)为常闭输出时，电子开关(A)可以与晶闸管TR1驱动信号的回路连接为并联连接，对驱动信号旁路控制。

本发明灭弧装置设计合理，其利用电流互感器驱动电子开关来控制晶闸管的驱动信号，且晶闸管的驱动信号由其主回路提供，具有晶闸管工作导通时间短、驱动能耗低、无需外接工作电源、电路简单，可在按钮、断路器、行程开关等无源驱动的机械开关中使用，适应范围广的优点。

附图说明

图1是本发明灭弧装置及无弧开关的工作原理图。

图2是本发明灭弧装置及无弧开关的实施例一电路原理图。

图3是本发明灭弧装置及无弧开关的实施例二电路原理图。

图4是本发明灭弧装置及无弧开关的实施例三电路原理图。

具体实施方式

如图2所示，为本发明灭弧装置及无弧开关的实施例一电路原理图，其包括晶闸管TR1、第一电容C1(限流元件)、第一电阻R1、稳压器件Z1、Z2(为二稳压二极管反向串联，也可以采用一双向稳压二极管)、电流互感器CT1、电子开关(A)，晶闸管TR1与所需灭弧的机械开关SW1并联，电流互感器CT1与机械开关SW1连接，电流互感器CT1检测通过机械开关SW1的电流，晶闸管TR1的导通电流不经电流互感器CT1，电流互感器CT1的输出端与电子开关(A)的控制端连接，电流互感器CT1输出的信号用于驱动电子开关(A)，第一电阻R1与第一电容C1组成串联电路，驱动晶闸管TR1导通的驱动信号由晶闸管TR1的主回路端通过该串联电路、电子开关(A)连接到晶闸管TR1的控制极，电子开关(A)连接稳压器件Z1、Z2(为二稳压二极管反向串联，也可以采用一双向稳压二极管)对通过第一电阻R1与第一电容C1的驱动信号分流，用于保护电子开关(A)，降低电子开关(A)的耐压要求。

电子开关(A)：电子开关(A)为半导体开关电路，其包括第一晶体管Q1(为三极管)、第二晶体管Q2(为三极管，也可以为场效应管)、整流电路BR1，整流电路BR1的直流输出端与第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的输出端连接，第一晶体管Q1的输入端与第二晶体管Q2的输入端反向并联组成并联电路，该并联电路与电流互感器CT1的输出端连接，电子开关(A)(即整流电路BR1的两个交流输入端)的耐压值可以小于晶闸管TR1两端的额定工作电压，整流电路BR1和第一晶体管Q1、第二晶体管Q2选用常用的低电压器件即可。

工作过程：在机械开关SW1闭合过程中，当机械开关SW1有电流通过时，电流互感器CT1输出信号控制电子开关(A)导通，当机械开关SW1出现弹跳时，机械开关SW1两端产生突变电压，第一电容C1会通过较大的电流，由于晶闸管TR1与机械开关SW1两端并联，即驱动晶闸管TR1导通的驱动信号由晶闸管TR1的主回路(第二阳极)通过第一电容C1、第一电阻R1、再经稳压器件Z1、Z2分流限压、然后通过电子开关(A)连接到晶闸管TR1的控制极触发其导通，用于机械开关SW1闭合弹跳灭弧；在机械开关SW1断开过程中，当机械开关SW1有电流通过时(存在电弧，就有电流)，电流互感器CT1输出信号控制电子开关(A)导通，驱动晶闸管TR1导通的驱动信号通过第一电容C1、第一电阻R1、经稳压器件Z1、Z2分流限压、再经电子开关(A)连接到晶闸管TR1的控制极触发其导通，用于机械开关SW1断开灭弧，一旦晶闸管TR1导通，机械开关SW1无电流通过，电流互感器CT1无输出信号，电子开关(A)的第一晶体管Q1、第二晶体管Q2截止，晶闸管TR1在电流过零时自行关断，导通时间极短，可达半个周波。

如图3所示，为本发明灭弧装置及无弧开关的实施例二电路原理图，其包括晶闸管TR1、第一电容C1(限流元件)、第一电阻R1、稳压器件Z1、Z2(为二稳压二极管反向串联，也可以采用一双向稳压二极管)、电流互感器CT1、电子开关(A)，晶闸管TR1与所需灭弧的机械开关SW1并联，电流互感器CT1与机械开关SW1连接，电流互感器CT1检测通过机械开关SW1的电流，晶闸管TR1的导通电流不经电流互感器CT1，电流互感器CT1的输出端与电子开关(A)的控制端连接，电流互感器CT1输出的信号用于驱动电子开关(A)，第一电阻R1与第一电容C1组成串联电路，驱动晶闸管TR1导通的驱动信号由晶闸管TR1的主回路端通过该串联电路、电子开关(A)连接到晶闸管TR1的控制极，电子开关(A)连接稳压器件Z1、Z2(为二稳压二极管反向串联，也可以采用一双向稳压二极管)对通过第一电阻R1与第一电容C1的驱动信号分流，用于保护电子开关(A)，降低电子开关(A)的耐压要求。

电子开关(A)：为一半导体开关电路，其包括第一整流电路BR1、第二整流电路BR2、晶体管Q1(为三极管，也可以为场效应管)，第一整流电路BR1的第一交流输入端与输入的晶闸管TR1的驱动信号连接，第一整流电路BR1的第二交流输入端与晶闸管TR1的控制极连接，第一整流电路BR1的直流输出端与晶体管Q1的输出端连接，第二整流电路BR2的交流输入端与电流互感器CT1的输出端连接，第二整流电路BR2的直流输出端与晶体管Q1的控制端连接，电子开关(A)还包括技术性元器件第二电容C2、第二电阻R2，第二整流电路BR2的直流输出端并联的第二电容C2，第二电容C2具有储能移相作用，用于提高灭弧的效果，第二电阻R2为与第二电容C2并联的电阻，用于对第二电容C2放电，第二电容C2的容量参数设定要求在电流互感器CT1无输出电信号时，第二电容C2存储电荷驱动晶体管Q1输出的时间小于通过机械开关SW1的交流电半个周波。

工作过程：在机械开关SW1闭合过程中，当机械开关SW1有电流通过时，电流互感器CT1输出信号经电子开关(A)的第二整流电路BR2整流驱动晶体管Q1导通，同时通过对第二电容C2充电，当机械开关SW1出现弹跳时，机械开关SW1两端产生突变电压，第一电容C1会通过较大的电流，由于晶闸管TR1与机械开关SW1两端并联，即驱动晶闸管TR1导通的驱动信号由晶闸管TR1的主回路通过第一电容C1、第一电阻R1、再经稳压器件Z1、Z2分流限压、然后通过电子开关(A)的第一整流电路BR1、晶体管Q1连接到晶闸管TR1的控制极触发其导通，用于机械开关SW1闭合弹跳灭弧；在机械开关SW1断开过程中，当机械开关SW1有电流通过时(存在电弧，就有电流)，电流互感器CT1输出信号控制电子开关(A)导通，驱动晶闸管TR1导通的驱动信号通过第一电容C1、第一电阻R1、经稳压器件Z1、Z2分流限压、再经电子开关(A)连接到晶闸管TR1的控制极触发其导通，用于机械开关SW1断开灭弧，一旦晶闸管TR1导通，机械开关SW1无电流通过，电流互感器CT1无输出信号，电子开关(A)的晶体管Q1截止，晶闸管TR1在电流过零时自行关断，导通时间极短，可达半个周波。

如图4所示，为本发明灭弧装置及无弧开关的实施例三电路原理图，其包括晶闸管TR1、第一电容C1(限流元件)、第一电阻R1、稳压器件Z1、Z2(为二稳压二极管反向串联，也可以采用一双向稳压二极管)、电流互感器CT1、电子开关(A)，晶闸管TR1与所需灭弧的机械开关SW1并联，电流互感器CT1与机械开关SW1连接，电流互感器CT1检测通过机械开关SW1的电流，晶闸管TR1的导通电流不经电流互感器CT1，电流互感器CT1的输出端与电子开关(A)的控制端连接，电流互感器CT1输出的信号用于驱动电子开关(A)，第一电阻R1与第一电容C1组成串联电路，驱动晶闸管TR1导通的驱动信号由晶闸管TR1的主回路端通过该串联电路、电子开关(A)连接到晶闸管TR1的控制极，电子开关(A)连接稳压器件Z1、Z2(为二稳压二极管反向串联，也可以采用一双向稳压二极管)对通过第一电阻R1与第一电容C1的驱动信号分流，用于保护电子开关(A)，降低电子开关(A)的耐压要求。

电子开关(A)：为一半导体开关电路，其包括第一整流电路BR1、第二整流电路BR2、晶体管Q1(为三极管，也可以为场效应管)、第二电容C2、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4，第一整流电路BR1的第一交流输入端与输入的晶闸管TR1的驱动信号连接，第一整流电路BR1的第二交流输入端与晶闸管TR1的控制极连接，第一整流电路BR1的直流输出端与晶体管Q1的输出端连接，第二整流电路BR2的交流输入端与电流互感器CT1的输出端连接，第二整流电路BR2的直流输出端通过第四电阻R4与晶体管Q1的控制端连接，第二电容C2与第三电阻R3串联组成阻容电路，晶体管Q1输入端串联第四电阻R4组成串联驱动电路，阻容电路与串联驱动电路并联，第二整流电路BR2的直流输出端并联的第二电容C2，第二电容C2具有储能移相作用，用于提高灭弧的效果，第二电阻R2为(通过第三电阻R3)与第二电容C2并联的电阻，用于对第二电容C2放电，第四电阻R4用于延时第二电容C2通过晶体管Q1的放电速度，第三电阻R3用于在机械开关闭合时降低第二电容C2充电电流，机械开关SW1闭合时，电流互感器CT1在对第二电容C2充电的同时保持对晶体管Q1的驱动力，用于机械开关SW1的弹跳灭弧；第二电容C2的容量参数设定要求在电流互感器CT1无输出电信号时，第二电容C2存储电荷驱动晶体管Q1输出的时间小于通过机械开关SW1的交流电半个周波。

工作过程：在机械开关SW1闭合过程中，当机械开关SW1有电流通过时，电流互感器CT1输出信号经电子开关(A)的第二整流电路BR2整流、第四电阻R4驱动晶体管Q1导通，同时通过第三电阻R3对第二电容C2充电，当机械开关SW1出现弹跳时，机械开关SW1两端产生突变电压，第一电容C1会通过较大的电流，由于晶闸管TR1与机械开关SW1两端并联，即驱动晶闸管TR1导通的驱动信号由晶闸管TR1的主回路通过第一电容C1、第一电阻R1、再经稳压器件Z1、Z2分流限压、然后通过电子开关(A)的第一整流电路BR1、晶体管Q1连接到晶闸管TR1的控制极触发其导通，用于机械开关SW1闭合弹跳灭弧，在机械开关SW1断开过程中，当机械开关SW1有电流通过时(存在电弧，就有电流)，电流互感器CT1输出信号控制电子开关(A)导通，驱动晶闸管TR1导通的驱动信号通过第一电容C1、第一电阻R1、经稳压器件Z1、Z2分流限压、再经电子开关(A)连接到晶闸管TR1的控制极触发其导通，用于机械开关SW1断开灭弧，一旦晶闸管TR1导通，机械开关SW1无电流通过，电流互感器CT1无输出信号，电子开关(A)的晶体管Q1截止，晶闸管TR1在电流过零时自行关断，导通时间极短，可达半个周波。

以上图3、图4实施例的电子开关(A)的耐压值可以小于晶闸管TR1两端的额定工作电压，第一整流电路BR1和晶体管Q1选用常用的低电压器件(如8050等三极管)即可。

以上实施例中，电子开关(A)与晶闸管TR1的驱动信号的回路连接(为串联连接，用于断开驱动信号)，晶闸管TR1的驱动信号通过电子开关(A)连接到晶闸管TR1的控制极，在实际使用中，也可以采用常闭的电子开关(A)与晶闸管TR1的驱动信号的回路连接(并联连接，用于旁路驱动信号)，工作原理相同；晶闸管采用了双向晶闸管，在实际应用中也可以用单向晶闸管或其它晶闸管，工作原理相同。

以上实施例，具有以下优点：

1、晶闸管TR1在灭弧过程所需导通时间极短，可以达半个周波，且在机械开关SW1闭合工作过程中，无需晶闸管提前导通，就能起到闭合灭弧的效果，具有晶闸管过载能力强、可靠性高及成本低的优点。

2、晶闸管TR1的驱动信号由其主回路提供，电流互感器CT1驱动电子开关(A)，由于电子开关(A)的晶体管的电流放大作用，电流互感器CT1所需输出驱动电流可以很小，可以为几十微安，电流互感器具有体积小、成本低的优点，即使是一安培的负载电流，也能够感应到足够的驱动信号电流，达到满意的灭弧效果，可应用在继电器、按钮、行程开关等负载不大的机械开关灭弧。

3、电子开关(A)输入和输出回路非电气隔离，且耐压要求低，可以采用普通低耐压元器件，具有极快速的响应速度、成本低的优点。

4、本发明灭弧装置采用电流互感器驱动电子开关(A)的工作方式，具有适应面广的优点，本发明灭弧装置可以用于接触器、继电器、按钮、断路器等包括有驱动线圈和无驱动线圈的开关中灭弧。

5、第一电容C1与第一电阻R1串联组成阻容电路，还可以起到吸收过电压和降低dv/dt值的作用，保护晶闸管TR1不被过电压击穿和防止晶闸管TR1误导通。

以上文中的周波包括交流的一个周期时间的含义，即半个周波包含有交流的半个周期时间，整流电路的第一交流端与第二交流端在文中是为方便描述相对区分不同端点，在实际应用中可以随便定义。

Claims (14)

1.一种灭弧装置，其特征是：其包括一晶闸管、一限流元件、一电流互感器及一电子开关，所述晶闸管用于与所需灭弧的机械开关并联，所述电流互感器用于与所述机械开关连接，所述电流互感器检测通过所述机械开关的电流，所述晶闸管的导通电流不经所述电流互感器，所述电流互感器的输出端与所述电子开关的控制端连接，所述电流互感器输出的信号用于驱动所述电子开关，所述电子开关的工作电源由所述电流互感器提供，驱动所述晶闸管导通的驱动信号由所述晶闸管的主回路端通过所述限流元件连接至所述晶闸管的控制极，所述电子开关与所述驱动信号的回路连接。

2.根据权利要求1所述的灭弧装置，其特征是：所述限流元件为第一电容。

3.根据权利要求2所述的灭弧装置，其特征是：还包括第一电阻，所述第一电阻与所述第一电容组成串联电路，所述驱动信号通过所述串联电路、所述电子开关连接到所述晶闸管的控制极，所述电子开关连接至少一稳压器件，所述稳压器件对所述驱动信号分流，用于保护所述电子开关。

4.根据权利要求3所述的灭弧装置，其特征是：所述电子开关为一半导体开关电路，所述半导体开关电路的耐压值小于所述晶闸管两端的额定工作电压。

5.根据权利要求4所述的灭弧装置，其特征是：所述半导体开关电路包括晶体管、一整流电路，所述整流电路的直流输出端与所述晶体管输出端连接，所述晶体管的控制端与所述电流互感器的输出端连接。

6.根据权利要求5所述的灭弧装置，其特征是：所述晶体管包括第一晶体管、第二晶体管，所述第一晶体管的输入端与所述第二晶体管的输入端反向并联组成并联电路，所述并联电路与所述电流互感器的输出端连接。

7.根据权利要求5所述的灭弧装置，其特征是：所述晶体管为三极管或场效应管。

8.根据权利要求4所述的灭弧装置，其特征是：所述半导体开关电路包括第一整流电路、第二整流电路、一晶体管，所述第一整流电路的第一交流输入端与所述驱动信号连接，所述第一整流电路的第二交流输入端与所述晶闸管的控制极连接，所述第一整流电路的直流输出端与所述晶体管的输出端连接，所述第二整流电路的交流输入端与所述电流互感器的输出端连接，所述第二整流电路的直流输出端与所述晶体管的控制端连接。

9.根据权利要求8所述的灭弧装置，其特征是：所述晶体管为三极管或场效应管。

10.根据权利要求8所述的灭弧装置，其特征是：所述第二整流电路的直流输出端并联第二电容。

11.根据权利要求10所述的灭弧装置，其特征是：所述第二电容并联第二电阻，所述第二电阻用于对所述第二电容放电。

12.根据权利要求11所述的灭弧装置，其特征是：在所述电流互感器无输出电信号时，所述第二电容存储电荷驱动所述晶体管输出的时间小于通过所述机械开关的交流电半个周波。

13.根据权利要求11所述的灭弧装置，其特征是：所述第二电容与第三电阻串联组成阻容电路，所述晶体管输入端串联第四电阻组成串联驱动电路，所述阻容电路与所述串联驱动电路并联。

14.一种无弧开关，其特征是：其包括权利要求1至13任一权利要求所述的灭弧装置、所述机械开关，所述灭弧装置与所述机械开关连接。