CN105826898A - 使用临界温度装置的过电流保护电气开关设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气开关设备，其被配置成通过使用电磁铁、临界温度装置和电磁铁控制单元来控制电磁铁，而不使用双金属元件和机械触点。电磁铁响应于控制电流的流动，切换经由电力线施加到连接在负载侧的电力设备的电力。在临界温度装置中，当连接到电力线的电热丝的温度因流入电力设备的供电电流而超过临界温度时，输出电流值发生改变。电磁铁控制单元，其可利用SCR实现，响应于临界温度装置的输出电流值，能够生成或切断电磁铁的控制电流的流动。

Description

使用临界温度装置的过电流保护电气开关设备

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119，本美国非临时专利申请要求于2015年1月20日提交的申请号为10-2015-0009307和于2015年11月12日提交的申请号为10-2015-0159021的韩国专利申请的优先权，其全部内容在此引入作为参考。

技术领域

本公开这里涉及一种电气开关设备，更具体地说，涉及一种采用金属-绝缘体转变临界温度开关的电气开关设备。

背景技术

通常，用于过电流保护的电气开关设备配置有包括电磁铁的电磁接触器(magneticcontactor，MC)和热过载继电器的组合，如图1中的10a3所示。

电磁铁的结构非常简单，根据楞次定律，其像通过在金属上缠绕导线而提供的线圈型螺线管一样，具有电磁功能。当电流流经线圈时，电磁铁变成磁体，当电流停止流经线圈时，其失去磁性功能。

电磁接触器10a1借助电磁铁所产生的力接通或断开，从而为电力设备供电或切断电力。

另一方面，热过载继电器10a2具有如下结构：镍铬丝和双金属元件串联连接到延伸通过电磁接触器10a1的运行电力线2-1，如图2所示。在这种情况下，根据镍铬丝20-2缠绕双金属元件20-3的类型，镍铬丝20-2的热被很好地传递到双金属元件20-3。

当过电流流经电力线时，双金属元件可由于镍铬丝的热量而弯曲。如图3所示，由于双金属元件的弯曲现象，当机械继电器触点断开时，从电力线20-1供应到端子块20-4的电力被切断。但是，当继电器触点接通或断开时，继电器触点之间会飞溅火花。长时间使用热过载继电器时，出现火花导致机械触点不正确操作而损坏连接到电力线的电力设备的若干情况。此外，由于双金属元件具有宽的弯曲温度范围，因此难以迅速切断电源并产生了长期变化。

当大于额定电流8至12倍的电流流过时，由于使用机械触点的断路器切断所述电流，因此切断操作实际上发生于电力设备受损之后。

漏电断路器的操作类似于上述断路器，也是在受损之后中断电流。因此，需要更精确的电流管理和快速切断。事实上，为了克服机械触点和双金属元件的局限性，作为替代，有一种使用测量线圈电流(即，电流互感器)的方法对电线进行保护的电子电路。这是一个很好的改进，但是随之而来的电路很复杂。因此，期望一种进一步改进的电气开关设备。

发明内容

本公开提供一种能够去除导致过载继电器发生故障的机械触点和双金属元件的电气开关设备。

本公开还提供一种结构简单且可靠性高的电气开关设备。

本发明构思的一实施例提供一种电气开关设备，其包括：电磁铁，构造成响应于用于电磁铁控制的电流的流过而接通/断开电力线，从而能够向作为负载的电力设备供电或切断作为负载的电力设备的电力；临界温度装置，当连接到电力线的电热丝的温度因流入电力设备的供电电流而超过临界温度时，该临界温度装置的输出电流值发生改变；以及电磁铁控制单元，构造成响应于临界温度装置的输出电流值而能够产生或切断电磁铁的电磁铁控制电流的流入。

在本发明的构思中，为了加热向电力设备供电的电力线，具有较大电阻的发热电阻丝被连接到电力线，电流流经所述发热电阻丝以对其进行加热。这一热量的温度通过一个具有在特定临界温度下快速变化的电阻或电流的装置(临界温度装置)检测，并利用在临界温度下所产生的电流差控制可控硅整流器(SCR)和晶体管(或三端双向可控硅)。

SCR和晶体管(或三端双向可控硅)切断为电磁接触器中的电磁铁提供的电磁铁控制电力，并切断向电气开关设备输送电力的主电力线。当这种电路被安装在电磁接触器内时，电气开关设备可以小型化，而无需单独的热过载继电器。

附图说明

结合附图以提供对本发明构思的进一步理解，附图被并入且构成本说明书的一部分。附图示出本发明构思的示例性实施例，与说明书一起，用于解释本发明构思的原理。附图中：

图1示出了一般的机械电气开关设备的示例性类型；

图2是图1中的热过载继电器的组件结构图；

图3是图1中的热过载继电器的机械触点的形状图；

图4是用于说明图1中的热过载继电器的事后切断操作的示图；

图5是用于说明金属-绝缘体转变临界温度开关(metal-insulatortransition-criticaltemperatureswitch，MIT-CTS)的特性的示图；

图6A至6E是用于说明可控硅整流器(SCR)的栅极控制的示图；

图7是在三相电流流入的情况下并联接入MIT-CTS的电路结构图；

图8是示出电阻元件被耦合到MIT-CTS的前级的结构的图；

图9A和9B是用于说明电阻随着丝宽度而增大的图；

图10A至10D是用于根据MIT-CTS的连接类型来说明发热的图；

图11是热绝缘电阻分压开关的连接结构图，其中相同阻值的电阻器被排列用于MIT-CTS控制；

图12是热绝缘电阻分压开关的连接结构图，其中不同阻值的电阻器被排列用于MIT-CTS控制；

图13A至13D是示出恒压供电电路的各个示例的图；

图14是根据本发明构思的实施例的电气开关设备的电路图；

图15是用于说明图14中的电路动作的图；

图16是示出根据本发明构思的另一实施例的电气开关设备的电路图；

图17是用于本发明构思的实施例的防止SCR损坏的保护电路图；

图18A和18B示出了根据本发明构思的实施例的电气开关设备的应用示例；

图19是示出根据本发明构思的实施例的另一电气开关设备的应用示例的图；以及

图20(a)至20(f)是用于说明本发明构思的实施例中热量根据丝的尺寸和材料而不同的图。

具体实施方式

以下，将参照附图详细描述本发明的实施例。下面的说明将着重于用于理解本发明的实施例所需的结构。因此，将省略可能使本公开的要点变模糊的其它结构的描述。

具有不同温度系数的两种金属相连接的部分具有相对较大的电阻。当使用这一较大电阻时，发热也相对较高。

在本发明构思的实施例中，临界温度装置具有电阻在特定温度下变化以允许大电流突然流过的特性。该临界温度装置被称为金属-绝缘体-转变临界温度-开关(MIT-CTS)或金属-绝缘体-转变装置(MIT装置)。

图5是用于说明金属-绝缘体转变-临界温度开关(MIT-CTS)的特性的示图。

附图标记50a1表示作为一种临界温度装置的MIT-CTS的形状，附图标记50a2表示该MIT-CTS的配置端子。

第一端子1连接到控制输入级，并作为正(+)或负(-)电力端子。第三端子3连接到控制输出级，并作为负(-)或正(+)电力端子。第二端子2与第一和第三端子1和3绝缘，并作为连接到热源的热端子。

以附图标记50a3示出的MIT-CTS作为一种类型的临界温度装置，其能够以非接触的方式测量电力线的温度。如该MIT-CTS的正视图和装置照片所示，临界温度装置的端子与用附图标记50a2所示的端子相同。在这种情况下，电线产生的热量以红外线形式传递到临界温度装置。红外线以非接触的方式所传递到的点对应于附图标记50a2的第二端子。

附图标记50a4示出了金属-绝缘体-转变临界温度-开关(MIT-CTS)的阻值与温度的曲线图GR1。在该曲线图中，横轴表示温度，纵轴表示阻值。从该曲线图中可以看出临界温度为约340K(67℃)。作为典型的金属-绝缘体转变材料，钒氧化物是代表性的，但正在开发具有更高临界温度的材料。

MIT-CTS装置可能需要如图13A至13D所示的恒压电路以提高其可靠性。

此外，可利用阻值随温度上升而呈指数下降的热敏电阻TM、比较器和晶体管来实现MIT-CTS的特性。

图6A至6E是用于说明SCR的栅极控制的示图。

图6A的电路包括温度检测单元60和控制晶体管62。

温度检测单元60包括热敏电阻TM、比较器AMP1和电压设定单元R1、R2，其具有如图5所示的临界特性以实现MIT-CTS的功能。基准电压连接到电阻器R3的一端。

当控制晶体管62为NPN晶体管TR1时，比较器AMP1的输出连接到NPN晶体管TR1的栅极。NPN晶体管TR1的发射极可通过电阻器R5连接到SCR的栅极。

图6B示出了热敏电阻TM的阻值与温度的特性曲线图。在曲线图中，横轴表示温度，纵轴表示阻值。如从曲线图中所看到的，阻值随温度的增加呈指数下降。

可利用PN结二极管和陶瓷材料来提供热敏电阻。另外，图6A中的包括热敏电阻、比较器和晶体管TR1的电路可利用单芯片商用临界温度IC(集成电路)装置实现，以输出MIT-CTS功能。PN结二极管具有MIT特性，即当PN结的带隙消失时有大电流流过，因此其可作为临界温度装置。

图6C示出了正温度系数(PTC)器件的阻值与温度的特性曲线图。在该曲线图中，横轴表示温度，纵轴表示阻值。如从该曲线图中所看到的，从100℃开始，随着温度的增加，阻值迅速地增大。基本上，电流可从温度为130℃、阻值为1KΩ处切断。PTC装置的特性是：阻值在室温下非常小，而在100℃或更高时突然增大。然而，实际的电流切断效应在130℃或更高时(此时，阻值大幅增加)显现。

图6D示出了使用PTC器件控制SCR栅极的简化电路。电阻器R1和PTC器件顺序连接在电源电压和接地电压之间，可通过电阻器R1的另一端提供栅极控制电压。

图6E示出了使用PTC器件控制SCR栅极的另一简化电路。

PTC器件和电阻器R1顺序连接在电源电压和接地电压之间，可通过连接在电阻器R2与R3之间的晶体管TR10的集电极提供栅极控制电压。

如图6D和6E中所示，PTC器件的特性与MIT-CTS的特性相反。但是，电路也可被配置成，通过使用PTC器件，即使是在PTC器件的临界温度高时，也输出MIT-CTS的特性。

如上所述，通过使用MIT-CTS或热敏电阻而输出MIT-CTS功能的电路(即，温度检测单元+晶体管)通常被称为临界温度开关装置或临界温度装置。

临界温度装置在功能上具有三个端子，并且如前所述，具有电绝缘的热端子2。

虽然临界温度装置在外观上具有两个端子，但是，当响应于热时，可以说该装置的主体部分起到热端子的作用。

当施加三相电流或存在多个电力线时，临界温度装置可分别并联到热源。

图7是在三相电流流入的情况下并联接入MIT-CTS的电路结构图。

参照图7，三相电力线，例如R、S和T，具有热源70b、71b和72b，MIT装置70a、71a和72a分别连接到热源70b、71b和72b。当作为临界温度装置的MIT装置检测到由热源产生的热量达到临界温度时，SCR的栅极产生控制电压使SCR导通。因此，电磁铁从激活状态变为失活状态，或者从失活状态变为激活状态，开关S1、S2和S3切换到打开状态。相应地，电力设备的供电被切断。激活状态是指具有电磁铁功能，失活状态是指没有电流流过线圈，电磁铁功能丧失。

如上所述，由于临界温度装置具有临界特性，因此临界温度下的电流值直接成为截止电流。此外，临界温度装置被制成具有半导体器件的芯片形状，其框架可由铜、黄铜(一种铜合金)、铜合金、或铁合金制成，框架本身可作为电热丝。

图8是示出电阻元件被耦合到MIT-CTS的前级的结构的示图。

参照图8，用作热绝缘电阻器的电阻器件RL被连接在诸如镍铬丝L10的热源和热端子2之间。当热量较大时，电阻器件RL部分地切断传递到热端子2的热量并保护临界温度装置。

图9A和9B是用于说明电阻随着丝的宽度而增加的示图。

虽然安装有临界温度装置芯片的板模由铁、铜或铜合金制成，但是由于板模的外部是电镀的，因此其电阻率相对较小、硬度相对较高。因此，大电流可能会流经临界温度装置的热端子。但是，临界温度装置的电阻率比用作导线的铜的电阻率大。因此，当电流流过时，临界温度装置中产生的热量比电力线中的大。

在图9A中，当电流从区域A沿箭头流到区域B时，由于丝的宽度从WA逐渐下降至WB，因此在区域B处的热量大于在区域A处的热量。

在图9B中，当电流从区域A沿箭头流到区域B时，由于丝的宽度从WA迅速下降至WB，因此在区域B处的热量也大于在区域A处的热量。

最后，当丝宽度减小时，由于减小的丝部分的阻值增加，因此宽度减小的部分处的热量大于宽度没有减小的部分处的热量。

图10A至10D是用于根据MIT-CTS的连接类型来说明发热的示图。

图10A示出了当临界温度装置100被连接在从主电力线MPL分叉的支路导线之间时基于图9A和9B中所示的原理呈现的电热丝。丝宽度从WA减少到WB的部分受到相对更多的加热，并用作电热丝。临界温度装置100的热端子2被连接在支路导线之间。

图10B示出了临界温度装置100基于图9A和9B中所示的原理被安装在主电力线MPL上的结构。在这种情况下，为了提高发热效果，临界温度装置100的热端子2连接在电力线上。

图10C示出了临界温度装置100被连接在主电力线MPL之间的结构。在这种情况下，临界温度装置100还充当电力线。在这种情况下，为了提高发热效果，临界温度装置100的热端子2连接在电力线之间。

图10D示出了一种类型的临界温度开关CTS，其中，框架由主电力线的材料制成的临界温度开关400与材料不同于主电力线的材料的丝串联连接。这里，临界温度开关400和临界温度开关CTS作为临界温度装置100。

在附图标记10da中，HPL表示电热丝，并且在附图标记10db中，HPL表示电热丝。

主电力线MPL2和临界温度开关400连接的部分是具有不同温度系数的两种金属连接的部分。因此，由于在该部分阻值相对较大，因此所产生的热量比主电力线上所产生的热量高，且温度变得更高。最终，可利用这一现象有效地设计电热丝HPL。

应当注意的是，本实施例中的主电力线是指用于传送电力的电力线，仅用于与电热丝区分开。

稍后描述的图20示出了使用铜丝、黄铜丝或铁合金丝作为电热丝的各种示例。

图11是热绝缘电阻分压开关的连接结构图，其中相同阻值的电阻器被排列用于电流控制。此外，图12是热绝缘电阻分压开关的连接结构图，其中不同阻值的电阻器被排列用于电流控制。图13A至13D是示出恒压供电电路的各示例的示图。

此外，图14是根据本发明构思的实施例的电气开关设备的电路图。

在图11至13之前首先描述图14中的电路。

图14示出了包括电磁铁200、临界温度装置100和电磁铁控制单元150的电路结构。

电磁铁200响应于控制电流流经线圈L10，对通过电力线R、S和T施加到连接在负载侧的电力设备的电力进行切换。

当从电力线流至电力设备的供电电流所引起的发热温度超过临界温度时，临界温度装置100的输出电流值发生改变。

电磁铁150包括电磁铁驱动开关TR20(即电磁铁电流供给开关)和电磁铁电流切断开关(SCR)。电磁铁控制单元150响应于临界温度装置100的输出电流值，能够生成或切断电磁铁200的控制电流的流动。

电磁铁驱动开关TR20可包含在电磁铁200中，或是单独地提供给电磁铁200。电磁铁驱动开关TR20起到响应于施加到其基极的控制电压、允许控制电流流入电磁铁200或从电磁铁200切断的作用。电磁铁驱动开关TR20配置有双极型晶体管，但不限于此，并可采用三端双向可控硅、SCR或继电器实现。此外，连接到电磁铁电流切断开关SCR的电阻器R1的阻值可为30Ω、R3的阻值为50Ω。

电磁铁驱动开关TR20的基极通过电阻器R3连接到SCR的阳极，从而通过电磁铁200的失活或激活操作对电磁接触器400的开关S1、S2和S3进行切换。这里，电磁铁电流切断开关SCR用于持续截止状态。

当临界温度装置100的发热检测操作检测到的发热温度为临界温度时，向SCR的栅极施加比在临界温度或更低时所施加的电压更高的电压。因此，SCR导通，已流入电磁铁驱动开关TR20基极的电流从SCR的阳极流向阴极。从而，由于建立的电流路径朝向地(earth)，因此电磁铁驱动开关TR20的基极电压下降，最终电磁铁驱动开关TR20被关断。因此，流经电磁铁200的线圈L10的电流消失，电磁铁功能丧失。因此，之前处于闭合状态的开关S1、S2和S3打开以切断供电。

图14中的电阻器R2是用于平滑电磁铁电流切断开关SCR的导通动作的元件。如果电阻器R2的阻值太小，则存在这样的情况：在导通时刻流经临界温度装置100的电流通过电阻器R2流出到地，SCR不工作。因此，有必要将电阻器R2的阻值设置为适当的值。该实施例中电阻器R2的阻值可设置为5K。电阻器R2可利用用于环境温度校正的PN结二极管实现。可安装电容器C1，以避免在电力输入时脉冲噪声信号引起误动作。换言之，可利用220pF的陶瓷电容器进行滤波或信号延迟。

为了延迟设定时间，图14的SCR可用晶体管代替。此外，电磁铁驱动开关TR20可由可编程逻辑控制器(PLC)、而不是SCR来控制。

另一方面，随意调整临界温度装置100的临界温度可能并不容易。当热源HS的温度过高时，在临界温度装置100的热端子前面设置一个热熔断电阻，从而使得能够进行温度调整。

在这种情况下，如图11所示，也可串联使用几个热熔断电阻。此外，可排列具有一个热熔断电阻、两个热熔断电阻、三个热熔断电阻和四个热熔断电阻等的通道。此外，使用转换开关选择一个通道，并可根据所选择的通道的阻值调节电流量。图11示出了热绝缘电阻分压开关的连接结构图，其中恒定阻值的电阻被排列用于电流控制。

例如，当热熔断电阻器R10至R19的阻值相同(例如1MΩ)并且转换开关CS中的开关SW1被选择用于第一通道R10时，热熔断电阻被设定为最小值。另一方面，当转换开关CS中的开关SW1被选择用于第四通道R16至R19时，热熔断电阻被设定为最大值。

另一方面，如图12所示，具有不同阻值的热熔断电阻器进行连接，并可通过转换开关CS的通道选择来调整临界电流。图12示出了热绝缘电阻开关的连接结构图，其中不同阻值的电阻器被排列用于电流控制。

图14中的电路可包括恒压电路300，用于对临界温度装置100的第一端子1施加恒定电压。

恒压电路300可包括电压跟随器结构，所述电压跟随器结构采用电阻器R4至R6、NPN晶体管TR10以及齐纳二极管ZD。

另外，恒压电路300可与图13A中的恒压电路具有类似的配置。

此外，恒压电路300可利用与图13B中类似的R1至R3和PNP晶体管TR40实现电压跟随器结构，并可包括使用如图13C中的电阻器R1至R3和FET晶体管FE10的电压跟随器结构。

此外，恒压电路300可包括使用电阻器R1、NPN晶体管TR50、电容器C10和齐纳二极管ZD的电压跟随器结构。

虽然图14示出了利用直流电压控制电磁铁，但是无论是利用直流电力还是交流电力对电磁铁进行控制，均可应用本发明构思的实施例。换言之，对于电磁铁的控制电压为交流110V或220V的情况，区别仅在于电磁铁的阻值大于直流型电磁铁的阻值。结果，当直流控制变为交流控制时，可在图14中电路的基础上配置一个如图16所示的扩展电路。

图15是用于说明图14的电路动作的示图。

在图15A1和15A2所示的实验中，使用电流10A、电压220V的交流电(提供给电力设备的运行电力)，并使用具有电流0.1A、24V直流电压规范的电磁接触器MC作为电磁铁的控制电力。厚度为1mm的镍铬丝连接到用于为电力设备供电的运行电力线。此外，对于实验，使用2500W的散热器作为电力设备。图6A中具有如图5所示的曲线特性的MIT-CTS连接到作为热源的镍铬丝，如图15A1和15A2所示，然后，连接整个电路以与图14中的电路匹配。

在实验中，施加了10A电流、220V电压的散热器功率和0.09A电流、8.1V电压的电磁铁控制功率。结果，电磁铁被操作以打开散热器，镍铬丝的温度升高。在临界温度(即，高电阻降低为低电阻的状态，参见图15A1和15A2)下工作的MIT装置控制SCR和晶体管以控制电磁铁，并通过关闭电磁铁使电磁接触器短路从而切断系统。在SCR导通状态下流入到SCR的电流为约150μA至约200μA。在反复实验中，系统中没有发现任何异常情况。附图标记15a1示出了电磁接触器中的开关闭合从而为负载提供电力的状态，附图标记15a2示出了在执行临界操作后，电磁接触器中的开关打开从而切断送至负载的电力的状态。

此外，实验中采用了工作在交流100V电压、0.1A电流下用于电磁铁控制的电磁接触器。当给电磁接触器施加直流50V电压、0.5A电流时，证实了：电磁接触器中的线圈部分被磁化成电磁铁以执行交流接触器的接触操作。因此，由于图14中的电路可与直流接触器或交流接触器一起运行，故它可被用作电气开关设备。

图16是示出根据本发明构思的另一实施例的电气开关设备的电路图。

图16示出了三端双向可控硅TRA1被用作电磁驱动开关，从而利用交流电流来控制电磁铁。相应地，用于交流控制的电磁接触器的电磁铁被控制在激活状态或失活状态。

图16中的电气开关设备也可应用于具有过电流保护功能的漏电断路器和断路器。在这种情况下，电力线可利用用于连接电力线的手动波动开关强制进行连接。在这种状态下，激活电磁铁时，通过吸力拉动手动开关的操作部分来断开电力线，从而切断AC电力。

另一方面，也可通过电磁铁的吸力提供电力，并通过电磁铁的失活控制来切断电力。

电气开关设备中的电磁接触器可对应于手动开关和断路器中的电磁铁。图19示出了其应用电路。

图16示出了利用三端双向可控硅TRA1通过交流220V电压直接控制电磁接触器(即，电磁铁)的电气开关设备。

当在三端双向可控硅TRA1的端子T2和T1之间施加交流220V电压时，电磁铁变为激活状态。电磁铁的失活状态，即Off操作，通过切断三端双向可控硅TRA1的栅极电流来实现。为了控制三端双向可控硅TRA1的栅极电流和SCR1，使用直流电作为控制电力。

首先，当电力接通时，交流电磁接触器，即电磁铁被接通。此后，当大电流流经电力线并且临界温度装置100的温度达到临界温度时，SCR接通，已流入三端双向可控硅TRA1栅极的电流从SCR1的阳极流向阴极。因此，三端双向可控硅TRA1的端子T2和T1被电切断。监控系统MS通过从SCR1的阳极流向阴极的电流进行操作，连接到监控系统MS的LED可发光。

当SCR接通、三端双向可控硅关断时，监控系统MS发出蜂鸣音以通知电气开关设备的关断信号，或者输出警报通信信号。

在图17中的电路原理的基础上，图16中的电路还包括SCR1和SCR2。换言之，两个SCR串联连接，以防止施加的高电压损坏所述SCR。

另一方面，可采用图13A至13D所示的恒压电路之一，使得过电压不会施加在MIT-CTS100上。图16的电路中所使用的电阻器为：R1＝20kΩ，R2＝450kΩ，R3＝10kΩ，R4＝20kΩ，R5＝820kΩ，R6＝15kΩ，R7＝1kΩ，R8＝1kΩ。电容器C1为10nF。监控系统MS使用电源LED。晶体管TR10采用2N3904，SCR采用P0115DA5AL3。R6可被替换为用于环境温度校正的PN结二极管。电容器C1用于信号延迟，以防止输入电力时由过冲噪声信号引起的误动作。三端双向可控硅TRA1采用ACTO-200封装。MIT-CTS100在室温下为1MΩ，在临界温度或更高的情况下为几百欧姆。这里，为使三端双向可控硅TRA1的栅极导通，直流电压被设定为220V或更高。由于这种直流电压在SCR导通时对应于非常高的值，因此，有必要在不减小电流的情况下降低电压。通常，当一个SCR被施加高电压时，该SCR可能会被SCR工作时的高电压烧坏。

此外，二极管D2被连接在临界温度装置100和SCR的栅极之间，以避免通过SCR的栅极输入的高电压损坏临界温度装置100。此外，二极管D1被连接在三端双向可控硅的栅极和电阻器R5之间，以切断经由三端双向可控硅的栅极输入的交流高电压。

图16中的电路可包括恒压电路300，用于给临界温度装置100的第一端子1施加一低且稳定的电压。

恒压电路310可包括采用电阻器R1至R4和NPN晶体管TR10的电压跟随器结构。此外，恒压电路310可与图13A到13D中的恒压电路具有类似的配置。

图17是适用于本发明构思的实施例的用于防止SCR损坏的保护电路图。

图17示出了两个或更多个SCR串联连接的电路结构。控制电压施加到第一SCR1的栅极，第二SCR2的栅极通过电阻器R20与其阳极连接。这种结构是向SCR施加高电压所必需的。

图18A和18B示出了根据本发明构思的实施例的电气开关设备的应用示例。

图18A示出了采用光耦可控硅(phototriac)PTRA1作为用于利用交流电流对电磁铁进行控制的电磁铁驱动开关152。相应地，用于交流控制的电磁接触器的电磁铁被控制在激活状态或失活状态。

图18A示出了采用光耦可控硅PTRA1、利用220V交流电压对电磁接触器(即，电磁铁)进行直接控制的电气开关设备。

当在光耦可控硅PTRA1的端子MT2(阳极)和端子MT1(阴极)之间施加220V交流电压时，电磁铁变为激活状态。电磁铁的失活状态，即Off操作，通过切断阳极和阴极之间的电流来实现。为了控制光电二极管和SCR的电流，使用直流电力作为控制电力。

在图18A中，电力来自电力线R、S和T，更具体地，来自交流电磁接触器400的前级，以提供光耦可控硅控制信号。当经由电力线R、S和T供电时，电流流经交流电磁接触器400，即电磁铁，电力线R、S和T中的电力连接至电力设备侧。此后，当大电流流过电力线并且临界温度装置100的温度达到临界温度时，SCR导通，施加到光耦可控硅PTRA1的LED上的电压降低。因此，流过光耦可控硅PTRA1的光电LED的电流降低，从而电切断光耦可控硅PTRA1的端子MT2和MT1，阻止电流流向电磁接触器400，并关闭电力。

监控系统MS由从SCR1阳极流向阴极的电流操作，连接到监控系统MS的LED可发光。

SCR接通，并且当三端双向可控硅关断时，监控系统MS发出蜂鸣音以通知电气开关设备的切断信号，或者输出警报通信信号。

另一方面，可使用如图13A至13D所示的恒压电路中的一个，使得过电压不施加到MIT-CTS100上。为了实现监控系统MS中的监控功能，可使用蜂鸣器、LED、以太网或蓝牙通信等。R4可被替换为用于环境温度校正的PN结二极管。电容器C1用于信号延迟以防止输入电力时由过冲噪声信号引起的误动作。MIT-CTS100在室温下为1MΩ，在临界温度或更高时为几百欧姆。这里，为使三端双向可控硅TRA1的栅极导通，直流电压被设定为5V或更高。

图18A中的电路可包括恒压电路330，用于向临界温度装置100的第一端子1施加低且稳定的电压。

恒压电路330可包括采用电阻器R1至R5和NPN晶体管TR10的电压跟随器结构。此外，恒压电路330可与图13A到13D中的恒压电路具有类似的配置。

此外，对于图18B，光耦可控硅PTRA1用作电磁驱动开关153，电力来自电力线R、S和T，更具体地，来自手动开关400的后级以提供光耦可控硅控制信号(这部分与图18A的不同)。在这种情况下，电磁接触器变成手动开关。与图18A相比，图18B中不存在SCR和R5，但保留了其它元件。虽然R、S和T电力线通过手动开关被连接到电力设备，并施加了用于光耦可控硅控制的电力，但光耦可控硅和电磁铁不工作(这部分与图18A不同)。当大电流流过电力线并且此时临界温度装置的温度达到临界温度时，光耦可控硅内部的光电二极管导通以使光耦可控硅工作并使电磁铁工作，手动开关内的杵拉动手动开关的操作部分以将手动开关关闭并切断电力。图18B中的电路结构可用于切断配电断路器和漏电断路器中的过电流。图19是示出根据本发明构思的实施例的电气开关设备的应用示例的图。

图19示出了本发明构思的适用于过电流检测以及断路器和漏电断路器的控制的应用电路。换言之，图19中的电路是图14的改型电路。

首先，正常运行时，手动切断波动开关400被接通，交流电流流过电力线R、S和T。此时电磁铁不工作。但是，当过电流流过电力线时，临界温度装置MIT-CTS工作以控制SCR，然后电磁铁动作，机械杵(类似于枪的板机，固定在电磁铁的前部)拉动开关操作部分。换言之，这种拉力，即吸力拉动手动切断波动开关400的操作部分，以将其关闭。此时，交流电力线被完全切断，供给到电磁铁的电流被切断。由此，流经电力线的电流被完全切断。虽然在电气开关设备中电磁铁的吸力(电流流经电磁铁时所产生的力)起到通过电磁接触器连接电力线的作用，但是在断路器中，其起到与切断电力线相反的作用，即通过电磁铁的吸力将电力线手动连接到手动开关。

在图19中，电磁铁驱动开关利用由临界温度装置100控制的SCR实现。换言之，临界温度装置100控制SCR的栅极，相应地，电流从SCR的阳极流向阴极。因此，电磁铁变为活动状态，从而切断电源。

电流控制电阻器R4与电磁铁并联，使得恒定电流流入SCR，并且电容器可与电流控制电阻器并联。电流控制电阻器R4可利用PN结二极管实现。

用于保护临界温度装置的防逆流二极管还连接到SCR的栅极。

除了SCR以外，电磁铁驱动开关可利用晶体管、三端双向可控硅或继电器实现。

图19中的电路可应用于具有过电流切断功能的配电断路器和具有漏电断开功能的漏电断路器。

图20是用于说明在本发明构思的实施例中热量随着丝的尺寸和材料而不同的示图。

图20(a)至20(f)示出了各种类型的丝的热实验(镍铬丝、铜丝和黄铜丝以及钢丝)。对于负载，采用了2500W的散热器和0.1Ω或更小的铜丝，130×1mm、0.8Ω的镍铬丝1，0.2Ω的黄铜(在热过载继电器的内部)，150x4mm、0.5Ω的不锈钢1，30x4mm、2Ω的不锈钢2。下面示出结果的表。使用了1盎司的PCB铜板(其厚度为35mm)。黄铜是一种铜合金。

[表1]

<实验数据>

上述实验数据示出了发热程度根据丝的材料、宽度和长度而变得不同，丝的发热可根据丝的设计调整到临界温度装置的临界温度。

由于根据本发明构思的电气开关设备不是仅使用利用双金属元件的导致尖峰放电的机械式继电器，而是在电磁接触器内还包括简单的电路以及用于控制过电流的部分，因此，可将电气开关设备小型化。

尽管已描述了本发明的示例性实施例，应该理解的是，本发明不应当被限制于这些示例性实施例，而是本领域的普通技术人员可在如后面所请求保护的本发明的精神和范围内做出各种变化和修改。

Claims (57)

1.一种电气开关设备，包括：

电磁铁，构造成响应于用于电磁铁控制的电流的流过而接通/断开电力线，从而能够向作为负载的电力设备供电或切断作为负载的电力设备的电力；

临界温度装置，当连接到电力线的电热丝的温度因流入电力设备的供电电流而超过临界温度时，该临界温度装置的输出电流值发生改变；以及

电磁铁控制单元，构造成响应于临界温度装置的输出电流值而能够产生或切断电磁铁的电磁铁控制电流的流入。

2.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，电力设备是马达、加热器、LED或灯中的至少一个。

3.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，电磁铁控制电流为交流或直流电流。

4.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，临界温度装置以接触方式或非接触方式测量电热丝的温度。

5.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，临界温度装置包括：

连接到控制输入级的第一端子；

连接到控制输出级的第三端子；以及

与第一和第三端子绝缘并连接到热源的第二端子。

6.如权利要求5所述的电气开关设备，进一步包括：至少一个热绝缘装置，该至少一个热绝缘装置连接在临界温度装置的热源和第二端子之间，以实现与热源的热绝缘。

7.如权利要求6所述的电气开关设备，其中，热绝缘装置被设置成用于提供多个通道，并且，通过被配置成用于调整热绝缘等级的调整型开关或转换开关来选择通道。

8.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，临界温度装置包括利用钒氧化物制造的金属-绝缘体转变装置。

9.如权利要求1所述的电气开关设备，进一步包括：被配置成向临界温度装置施加恒定电压的恒压电路。

10.如权利要求9所述的电气开关设备，其中，恒压电路包括使用电阻器和NPN晶体管的电压跟随器结构。

11.如权利要求9所述的电气开关设备，其中，恒压电路包括使用电阻器和PNP晶体管的电压跟随器结构。

12.如权利要求9所述的电气开关设备，其中，恒压电路包括使用电阻器和FET晶体管的电压跟随器结构。

13.如权利要求9所述的电气开关设备，其中，恒压电路包括使用电阻器、NPN晶体管和齐纳二极管的电压跟随器结构。

14.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，临界温度装置包括：

热敏电阻；

比较器，配置成用于比较经热敏电阻分压的第一输入电压和经电阻器之间分压的第二输入电压；以及

输出晶体管，配置成响应于比较器的输出而生成控制输出。

15.如权利要求14所述的电气开关设备，其中，热敏电阻利用陶瓷热敏电阻或PN结二极管来构造。

16.如权利要求14所述的电气开关设备，其中，临界温度装置包括单芯片温度集成电路。

17.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，临界温度装置包括正温度系数(PTC)装置。

18.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，当安装有多个电力线时，临界温度装置对应地连接到电力线。

19.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，电热丝包括铜丝、黄铜丝、镍铬丝、铜合金丝、镍铬合金丝或铁合金丝中的至少一种。

20.如权利要求19所述的电气开关设备，其中，电热丝由温度系数比电力线的温度系数高的丝提供。

21.如权利要求19所述的电气开关设备，其中，电热丝通过减小电力线的宽度来提供。

22.如权利要求19所述的电气开关设备，其中，电热丝从电力线分叉，从而连接到临界温度装置的热端子。

23.如权利要求19所述的电气开关设备，其中，电热丝(在电学上与电力线并联)具有与电力线顶部部分的电力线的材料不同的材料，并连接到临界温度装置的热端子，使得对电热丝的加热高于对电力线的加热。

24.如权利要求19所述的电气开关设备，其中，电热丝连接到临界温度装置(在电学上与电力线串联)的热端子的前级，并具有温度系数与电力线的温度系数不同的材料，使得对热端子的加热高于对电力线的加热。

25.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，电磁铁控制单元包括晶体管、三端双向可控硅和继电器中的至少一个，作为电磁铁驱动开关装置(电磁铁电流供应装置)。

26.如权利要求1所述的电气开关设备，其中，电磁铁控制单元包括电磁铁晶体管、可控硅整流器(SCR)、三端双向可控硅和继电器中的至少一个，作为电磁铁驱动开关装置。

27.如权利要求26所述的电气开关设备，其中，电磁铁驱动开关利用NPN晶体管来构造，并且，当驱动开关控制单元利用SCR来构造时，SCR的栅极连接到临界温度装置的输出，SCR的阳极连接到NPN晶体管的基极，并且SCR导通时，驱动开关关断，控制电流不流向电磁铁，而后电磁铁的功能丧失。

28.如权利要求27所述的电气开关设备，进一步包括：

利用位于SCR的栅极和阴极之间的PN结二极管来构造的电阻元件。

29.如权利要求28所述的电气开关设备，进一步包括：

与电阻元件并联连接在SCR的栅极和阴极之间的电容器。

30.如权利要求27所述的电气开关设备，进一步包括：

恒压电路，被配置成接收第一直流电压以产生比第一直流电压小的第二直流电压，所述第二直流电压被施加到临界温度装置。

31.如权利要求27所述的电气开关设备，进一步包括：

监控装置，被配置为响应于SCR导通时电流流过SCR，产生声音、警报或通信信号。

32.一种电气开关设备，包括：

电磁铁，构造成响应于交流控制电流的流过而接通/断开电力线，从而能够向作为负载的电力设备供电或切断作为负载的电力设备的电力；

临界温度装置，当连接到电力线的电热丝的温度因流入电力设备的供电电流而超过临界温度时，该临界温度装置的输出电流值发生改变；以及

电磁铁控制单元，构造成响应于临界温度装置的输出电流值而能够产生或切断电磁铁的电磁铁控制电流的流入。

33.如权利要求32所述的电气开关设备，其中，电磁铁驱动开关利用三端双向可控硅来构造，并且，当驱动开关控制单元利用SCR来构造时，SCR的栅极与临界温度装置的输出连接，SCR的阳极与三端双向可控硅的栅极连接，并且在SCR导通时，三端双向可控硅关断，交流控制电流不流向电磁铁，电磁铁的功能丧失。

34.如权利要求32所述的电气开关设备，进一步包括：利用位于SCR的栅极和阴极之间的PN结二极管来构造的电阻元件。

35.如权利要求34所述的电气开关设备，进一步包括：与电阻元件并联连接在SCR的栅极和阴极之间的电容器。

36.如权利要求32所述的电气开关设备，进一步包括：用于防止高电压在SCR的栅极和三端双向可控硅的栅极之间流入的栅极电阻器和二极管。

37.如权利要求32所述的电气开关设备，进一步包括：连接在SCR的栅极和临界温度装置的输出端口之间的防逆流二极管。

38.如权利要求32所述的电气开关设备，进一步包括：监控装置，其被配置为响应于三端双向可控硅导通时电流流过SCR的阴极，产生声音、警报或通信信号。

39.如权利要求32所述的电气开关设备，进一步包括：

恒压电路，被配置成接收用于防止临界温度装置损坏的第一直流电压以产生比第一直流电压小的第二直流电压，并配置成将第二直流电压施加到临界温度装置。

40.如权利要求32所述的电气开关设备，其中，三端双向可控硅、临界温度装置和SCR安装在电磁接触器的内部。

41.如权利要求32所述的电气开关设备，其中，当电磁铁驱动开关利用三端双向可控硅来构造、且驱动开关控制单元利用串联连接以防止击穿的第一和第二SCR来构造时，第一SCR的栅极连接到临界温度装置的输出，并且第一SCR的阳极连接到三端双向可控硅的栅极侧。

42.如权利要求32所述的电气开关设备，其中，当电磁铁驱动开关利用光耦可控硅来构造、且驱动开关控制单元利用SCR来构造时，SCR和光耦可控硅并联连接，并且在SCR导通时，三端双向可控硅关断，交流控制电流不流动，电磁铁的功能丧失。

43.如权利要求42所述的电气开关设备，进一步包括：利用位于SCR的栅极和阴极之间的PN结二极管来构造的电阻元件。

44.如权利要求43所述的电气开关设备，进一步包括：与电阻元件并联连接在SCR的栅极和阴极之间的电容器。

45.如权利要求42所述的电气开关设备，进一步包括：监控装置，其被配置为响应于三端双向可控硅关断时流过SCR的阴极的电流，产生声音、警报或通信信号。

46.如权利要求42所述的电气开关设备，进一步包括：恒压电路，其配置成接收用于防止临界温度装置损坏的第一直流电压以产生比第一直流电压小的第二直流电压，并配置成将第二直流电压施加到临界温度装置。

47.如权利要求42所述的电气开关设备，其中，三端双向可控硅、临界温度装置和SCR被安装在电磁接触器的内部。

48.如权利要求32所述的电气开关设备，其中，设置有将电力线连接到电力设备的手动开关，并且当电磁铁配置有光耦可控硅时，在接通电力时手动开关接通并且光耦可控硅关断，SCR控制电流不流过电磁铁，电磁铁不动作，并且，当电流流过电力线且临界温度装置的温度达到临界温度时，手动开关被配置成在位于光耦可控硅内部的光电二极管动作时通过电磁铁的动作而被关闭。

49.如权利要求38所述的电气开关设备，其中，电气开关设备能够用于防止配电断路器和漏电断路器中的过电流。

50.一种电气开关设备，包括：

手动开关，被配置成响应于手动操作，允许通过电力线施加的电力供给到电力设备；

电磁铁，被配置成通过用物理力拉动手动开关的操作单元以使手动开关关闭，来切断提供给电力设备的电力；

电磁铁驱动开关，被配置成响应于控制电压，允许控制电流流向电磁铁或从电磁铁切断控制电流；

临界温度装置，起到电磁铁驱动开关的驱动开关控制单元的作用，并且，当连接到电力线的电热丝的温度因流入电力设备的供电电流而超过临界温度时，该临界温度装置的输出电流值发生改变；以及

驱动开关控制单元，被配置成响应于临界温度装置的输出，产生用于控制电磁铁驱动开关的控制电压。

51.如权利要求50所述的电气开关设备，其中，当电磁铁驱动开关为SCR时，该SCR的栅极由临界温度装置控制，并且，构造成用于切断供给电力的电磁铁被驱动为活动状态。

52.如权利要求51所述的电气开关设备，其中，允许额定电流流入SCR的电流控制电阻器与电磁铁并联连接。

53.如权利要求51所述的电气开关设备，其中，电容器与电流控制电阻器并联连接到SCR的栅极。

54.如权利要求51所述的电气开关设备，进一步包括：针对电流控制电阻器的PN结二极管。

55.如权利要求51所述的电气开关设备，其中，配置成保护临界温度装置的防逆流二极管进一步连接到SCR的栅极。

56.如权利要求50所述的电气开关设备，其中，电磁铁驱动开关包括晶体管、SCR、三端双向可控硅或继电器中的至少一个。

57.如权利要求50所述的电气开关设备，进一步包括：具有过电流切断功能的配电断路器和具有漏电断开功能的漏电断路器。