CN110875159B - 一种可物理断开的复合直流开关及开关方法 - Google Patents

一种可物理断开的复合直流开关及开关方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可物理断开的复合直流开关及开关方法，该直流开关包括时序控制电路、主接触器J1、辅接触器J2和固体开关S1，所述时序控制单路输出的时序控制信号输入所述主接触器J1的线圈、所述辅接触器J2的线圈以及固体开关S1；所述主接触器J1的第一静触点和所述辅接触器J2的第一静触点连接，所述主接触器J1的第二静触点通过所述固体开关S1与所述辅接触器J2的第二静触点连接；所述主接触器J1的第一静触点和第二静触点为该直流开关的两个输出端，用于连接负载。该发明公开的技术方案实现了无触点切换，避免了直流高压接触器释放时的拉弧现象，显著提高开关通过电流的能力、延长开关寿命。

Description

一种可物理断开的复合直流开关及开关方法
技术领域
本发明涉及一种开关以及开关方法，尤其是涉及一种可物理断开的复合直流开关及开关方法。
背景技术
直流开关又称为直流快速开关或直流快速自动开关，它是一种操作和保护，能对直流额定电压600～1500V电路中直流电机、整流机组和直流馈线等进行分闸、合闸操作，并在短路、过载、逆流(反向)时起保护跳闸作用。
直流开关导通开断过程中，将会产生直流电弧，该电弧电流在时间上不超过零点，属于非周期变化的，因而直流电弧的熄灭上较交流电弧困难。一般来说，熄灭直流电弧的直流开关在速度上有较高的要求，目的是为了加速断开短路或过负荷的直流电流所产生的电弧。
目前直流开关一般采用电磁接触器和固体功率开关，其中电磁接触器闭合时触点接通电压降小，断开时可实现物理断开等优点；但电磁接触器在导通和断开过程中易拉弧，分断直流电压越高，拉弧越严重；且有电火花，寿命较低等缺点。固体功率开关具有无触点切换，无拉弧，无电火花，长寿命等优点，但固体功率开关在接通电压降大于电磁接触器，关断状态存在漏电流等缺点，且固体功率开关工作过程中需外加散热器，导致直流开关的结构复杂。
发明内容
为了解决现有固体功率开关和电磁接触器作为直流开关所存在的问题，本发明在此的目的在于提供一种可物理断开的复合直流开关，该直流开关可物理断开，实现无触点切换，实现开关接通后的低接通电压降及关断后的物理断开。
在此，本发明的目的还在于提供一种可物理断开的复合直流开关的开关方法。该方法用固体功率开关元件接通或断开负载，实现无触点切换；用接触器(机械开关)承担开关动作之后的稳态过程，实现开关接通后的低接通电压降及关断后的物理断开。
本发明所提供的可物理断开的复合直流开关包括时序控制电路、主接触器J1、辅接触器J2和固体开关S1，所述时序控制单路输出的时序控制信号输入所述主接触器J1的线圈、所述辅接触器J2的线圈以及固体开关S1；所述主接触器J1的第一静触点和所述辅接触器J2的第一静触点连接，所述主接触器J1的第二静触点通过所述固体开关S1与所述辅接触器J2的第二静触点连接；所述主接触器J1的第一静触点和第二静触点为该直流开关的两个输出端，用于连接负载。
该直流开关结合了接触器和固态开关元件，故该直流开关综合电磁接触器和固体开关元件的优点，实现了无触点切换，提高了接触器通过电流的能力，避免了接触器触点粘连、烧蚀，延长了接触器寿命；固体开关无需外加散热器；避免了固体功率开关的漏电流对应用电路的影响。此外，该直流开关还避免了直流高压接触器释放时的拉弧现象，提高了开关通过电流的能力、延长开关寿命；释放后由接触器承受电压，处于完全断开状态，实现了复合接触器吸合和释放的无触点切换及释放后的物理断开。
具体的，所述固体开关S1为固态接触器，所述该固态接触器受所述时序控制电路输出的时序信号控制导通、截止。
具体的，所述固体开关S1包括三极管Q和隔离驱动电路，所述三极管Q的电源端接所述辅接触器J2的第二静触点，所述三极管Q的控制端连接至所述隔离驱动电路的输出端，所述三极管Q的低电源端连接至所述主接触器J1的第二静触点；所述隔离驱动电路受所述时序控制电路输出的时序信号控制其输出使所述三极管Q的导通、截止。
具体的，所述固体开关S1包括可控硅SCR和隔离驱动电路，所述可控硅SCR的阳极接所述辅接触器J2的第二静触点，所述可控硅SCR的控制端连接至所述隔离驱动电路的输出端，所述可控硅SCR的阴极连接至所述主接触器J1的第二静触点；所述隔离驱动电路受所述时序控制电路输出的时序信号控制其输出使所述可控硅SCR的导通、截止。
具体的，所述主接触器J1和所述辅接触器J2为电磁接触器。
本发明所提供的开关方法包括复合型开关接通步骤和复合型开关断开步骤，其中接通步骤具体如下：
步骤1：向时序控制电路加载时钟信号Ctrl和Bias信号，使时序控制电路输出三路时钟信号Ctrl_1，Ctrl_2和Ctrl_3；
步骤2：三路时钟信号Ctrl_1，Ctrl_2和Ctrl_3分别加载于所述主接触器J1、所述辅接触器J2和所述固体开关S1；
步骤3：所述辅接触器J2、所述固体开关S1和所述主接触器J1在时钟信号Ctrl_2、Ctrl_3和Ctrl_1的控制下依次导通，主接触器J1吸合后，可物理断开的复合直流开关输出电流为负载提供电流；
步骤4：所述辅接触器J2和所述固体开关S1持续导通一定时间后，Ctrl_2和Ctrl_3变更为无效信号，使所述辅接触器J2和所述固体开关S1关断；Ctrl_1持续有效，可物理断开的复合直流开关持续有输出电流；
所述复合型开关断开步骤具体如下：
在可物理断开的复合直流开关处于持续接通状态时，时钟信号Ctrl_2和Ctrl_3由无效变为有效，所述辅接触器J2吸合以及所述固体开关S1接通，时钟信号Ctrl_1由有效变为无效，所述主接触器J1断开，电流从所述辅接触器J2和所述固体开关S1流过；一段时间后Ctrl_2和Ctrl_3由有效变为无效，所述辅接触器J2和所述固体开关S1关断，使复合型开关断开处于断开状态。
该方法用固体功率开关元件接通或断开负载，实现了无触点切换；用接触器(机械开关)承担开关动作之后的稳态过程，实现了开关接通后的低接通电压降及关断后的物理断开。
本发明的有益效果是：综合电磁接触器和固体开关元件的优点，实现了无触点切换，提高了接触器通过电流的能力，避免了接触器触点粘连、烧蚀，延长了接触器寿命；还避免了直流高压接触器释放时的拉弧现象，提高了开关通过电流的能力、延长开关寿命；释放后由接触器承受电压，处于完全断开状态，实现了复合接触器吸合和释放的无触点切换及释放后的物理断开。
附图说明
图1为本发明所提供的直流开关的原理电路图之一；
图2为本发明所提供的直流开关的原理电路图之二；
图3为本发明所提供的直流开关的原理电路图之三；
图4为本发明控制时序图；
图中连接端标识相同表示两者之间为连接关系，图中Com为控制电源公共端，Ctrl-1、Ctrl-2分别接主接触器J1和辅接触器J2的控制信号，Ctrl-3为固体开关S1的控制信号；Ctrl为控制信号，由外部控制电路施加；Bias信号为偏置电源，给复合直流开关提供电源。
具体实施方式
在此结合具体实施方式和附图对本发明所要求保护的技术方案作进一步详细的说明。
如图1-3所示，本发明所要求保护的技术方案是一种可物理断开的复合直流开关，该直流开关包括时序控制电路、主接触器J1、辅接触器J2和固体开关S1，时序控制单路输出的时序控制信号输入主接触器J1的线圈、辅接触器J2的线圈以及固体开关S1；主接触器J1的第一静触点和辅接触器J2的第一静触点连接，主接触器J1的第二静触点通过固体开关S1与辅接触器J2的第二静触点连接；主接触器J1的第一静触点和第二静触点为该直流开关的A、B两个输出端，用于连接负载。
其中主接触器J1和辅接触器J2采用的是电磁接触器，固体开关S1可以采用以下几种结构：
第一种：固体开关S1采用，所述固体开关S1为固态接触器，该固态接触器受时序控制电路输出的时序信号控制导通、截止。
第二种，固体开关S1包括三极管Q和隔离驱动电路，三极管Q的电源端接辅接触器J2的第二静触点，三极管Q的控制端连接至隔离驱动电路的输出端，三极管Q的低电源端连接至主接触器J1的第二静触点；隔离驱动电路受所述时序控制电路输出的时序信号控制其输出使三极管Q的导通、截止。该三极管Q为场效应管，漏极接辅接触器J2的第二静触点，源极连接至主接触器J1的第二静触点，栅极接隔离驱动电路的输出端。
第三种，固体开关S1包括可控硅SCR和隔离驱动电路，可控硅SCR的阳极接辅接触器J2的第二静触点，可控硅SCR的控制端连接至隔离驱动电路的输出端，可控硅SCR的阴极连接至主接触器J1的第二静触点；隔离驱动电路受所述时序控制电路输出的时序信号控制其输出使可控硅SCR的导通、截止。
在此结合附图4所示的时序图对本发明所要求保护的可物理断开的复合直流开关的开关方法进行详细的说明。
本发明所提供的直流开关的接通和断开过程分别如下：
1.复合开关的接通过程：
1)Ctrl-2有效，辅接触器J2吸合；
2)Ctrl-3有效，固体开关S1接通，输出端A和B被接通；
3)Ctrl-1有效，主接触器J1吸合，输出端A和B两端有电流输出，开始为负载电流提高通路；
4)Ctrl-3无效，固体开关S1关断；
5)Ctrl-2无效，辅接触器J2释放；
6)Ctrl-1持续有效，主接触器J1保持吸合；
接通过程完成，A、B之间被主接触器J1连通，为连接于A、B两端的负载提供电流。
2.复合开关的断开过程(之前主接触器J1保持吸合，辅接触器J2释放、固体开关S1关断)
1)Ctrl-2有效，辅接触器J2吸合；
2)Ctrl-3有效，固体开关S1接通；
3)Ctrl-1无效，主接触器J1断开，负载电流从辅接触器J2、固体开关S1流过；
4)Ctrl-3无效，固体开关S1关断，负载电流被切断；
5)Ctrl-2无效，辅接触器J2释放。
断开过程完成，A、B之间呈物理断开状态，A、B两端无电流输出。
本发明所提供的可物理断开的复合直流开关，其显著特点是当吸合和释放时由固体开关承担开关过程，实现无触点切换，避免直流高压接触器释放时的拉弧现象，显著提高开关通过电流的能力、延长开关寿命；释放后由接触器承受电压，处于完全断开状态，可以实现复合接触器吸合和释放的无触点切换及释放后的物理断开。

Claims (6)

1.一种可物理断开的复合直流开关的开关方法，其特征在于：该开关方法控制动作的复合直流开关包括时序控制电路、主接触器J1、辅接触器J2和固体开关S1，所述时序控制电路输出的时序控制信号输入所述主接触器J1的线圈、所述辅接触器J2的线圈以及固体开关S1；所述主接触器J1的第一静触点和所述辅接触器J2的第一静触点连接，所述主接触器J1的第二静触点通过所述固体开关S1与所述辅接触器J2的第二静触点连接；所述主接触器J1的第一静触点和第二静触点为该直流开关的两个输出端，用于连接负载；
该方法包括复合型开关接通步骤和复合型开关断开步骤，其中接通步骤具体如下：
步骤1：向时序控制电路加载时钟信号Ctrl和Bias信号，使时序控制电路输出三路时钟信号Ctrl_1，Ctrl_2和Ctrl_3；
步骤2：三路时钟信号Ctrl_1，Ctrl_2和Ctrl_3分别加载于所述主接触器J1、所述辅接触器J2和所述固体开关S1；
步骤3：所述辅接触器J2、所述固体开关S1和所述主接触器J1在时钟信号Ctrl_2、Ctrl_3和Ctrl_1的控制下依次导通，主接触器J1吸合后，可物理断开的复合直流开关输出电流为负载提供电流；
步骤4：所述辅接触器J2和所述固体开关S1持续导通一定时间后，Ctrl_2和Ctrl_3变更为无效信号，使所述辅接触器J2和所述固体开关S1关断；Ctrl_1持续有效，可物理断开的复合直流开关持续有输出电流；
所述复合型开关断开步骤具体如下：
在可物理断开的复合直流开关处于持续接通状态时，时钟信号Ctrl_2和Ctrl_3由无效变为有效，所述辅接触器J2吸合以及所述固体开关S1接通，时钟信号Ctrl_1由有效变为无效，所述主接触器J1断开，电流从所述辅接触器J2和所述固体开关S1流过；一段时间后Ctrl_2和Ctrl_3由有效变为无效，所述辅接触器J2和所述固体开关S1关断，使复合型开关断开处于断开状态。
2.一种可物理断开的复合直流开关，其特征在于：该复合直流开关的接通、断开受权利要求1所述的开关方法控制，该直流开关包括时序控制电路、主接触器J1、辅接触器J2和固体开关S1，所述时序控制电路输出的时序控制信号输入所述主接触器J1的线圈、所述辅接触器J2的线圈以及固体开关S1；所述主接触器J1的第一静触点和所述辅接触器J2的第一静触点连接，所述主接触器J1的第二静触点通过所述固体开关S1与所述辅接触器J2的第二静触点连接；所述主接触器J1的第一静触点和第二静触点为该直流开关的两个输出端，用于连接负载。
3.根据权利要求2所述的可物理断开的复合直流开关，其特征在于：所述固体开关S1为固态接触器，所述该固态接触器受所述时序控制电路输出的时序信号控制导通、截止。
4.根据权利要求2所述的可物理断开的复合直流开关，其特征在于：所述固体开关S1包括三极管Q和隔离驱动电路，所述三极管Q的电源端接所述辅接触器J2的第二静触点，所述三极管Q的控制端连接至所述隔离驱动电路的输出端，所述三极管Q的低电源端连接至所述主接触器J1的第二静触点；所述隔离驱动电路受所述时序控制电路输出的时序信号控制其输出使所述三极管Q的导通、截止。
5.根据权利要求2所述的可物理断开的复合直流开关，其特征在于：所述固体开关S1包括可控硅SCR和隔离驱动电路，所述可控硅SCR的阳极接所述辅接触器J2的第二静触点，所述可控硅SCR的控制端连接至所述隔离驱动电路的输出端，所述可控硅SCR的阴极连接至所述主接触器J1的第二静触点；所述隔离驱动电路受所述时序控制电路输出的时序信号控制其输出使所述可控硅SCR的导通、截止。
6.根据权利要求2或3或4或5所述的可物理断开的复合直流开关，其特征在于：所述主接触器J1和所述辅接触器J2为电磁接触器。
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