CN112753084B - 交流灭弧电路及装置、开关系统 - Google Patents

Abstract

一种交流灭弧电路及装置、开关系统，其适合于对多路交流接触器、继电器等机械触点灭弧，所述的交流灭弧电路包括一电容(C1)、第一开关(S1)，机械开关(K)分断过程中，机械开关(K)连接的电源通过电容(C1)、第一开关(S1)为所述负载(RL)供电，用于机械开关(K)灭弧，第一开关(S1)、机械开关(K)、所述负载(RL)数量为二，或二以上，第一开关(S1)为半导体开关。其具有成本低，电路简单、可靠性高的优点。

Description

交流灭弧电路及装置、开关系统

技术领域

本发明涉及一种交流灭弧电路及装置特别是一种适合于对多路交流接触器、继电器等机械触点灭弧的交流灭弧电路及装置，也可以用于其它断点(如熔断体的熔断、插头与插座之间的断点、导线断点)的灭弧及一种采用本发明交流灭弧装置的开关系统。

背景技术

目前在供配电、轨道交通、舰船等交流电控系统中，普遍使用多个(二，或二以上)接触器(继电器)等机械开关对不同回路的负载进行接通和分断控制，由于其分断电弧大，存在机械开关电寿命短的缺点，随着机械开关的分断电压越高和分断电流越大，其电寿命将大幅度降低，目前市场也存在连接电容进行灭弧的灭弧装置，一种是小电流产品使用的阻容吸收电路；另一种是配合双电源切换、中高压断路器等高价产品使用的并联电容灭弧的电子灭弧装置，前者只能用于小电流场合使用，后者电容利用率低、成本高、适用范围小、通用性差、难以普及使用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有交流电控系统中多路机械开关的电寿命短的问题，提供一种针对多路机械开关灭弧、适用范围广、电容的利用率高的交流灭弧电路及装置，及提供一种采用机械开关具有成本低，体积小、运营成本极低及采用本发明交流灭弧装置的开关系统。

实现本发明的目的是通过以下技术方案来达到的：

一种交流灭弧电路，所需灭弧的机械开关与负载连接，其包括一电容、第一开关，机械开关分断过程中，机械开关连接的电源通过电容、第一开关为负载供电，用于机械开关灭弧，机械开关、负载、第一开关，数量至少为二，第一开关为半导体开关。

一种交流灭弧电路，还包括第二开关、第三开关，所述第一开关包括第一器件、第二器件，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关为可控半导体开关；

在分断过程中所述机械开关正向导通期间，所述电源通过所述第二开关、所述电容、所述第一器件为所述负载供电；

在分断过程中所述机械开关负向导通期间，所述电源通过所述第三开关、所述电容、所述第二器件为所述负载供电。

一种包括前面所述的交流灭弧电路的交流灭弧装置，还包括一控制单元，所述第一器件、所述第二器件、所述第二开关、所述第三开关的控制信号由所述控制单元提供，所述控制单元与所述电容连接。

一种包括前面所述的灭弧装置的开关系统，还包括所述机械开关，所述机械开关不具备对所述负载的工作电流分断能力。

工作原理：如图1所示，所需灭弧的机械开关K与负载RL连接，一种交流灭弧电路，其包括电容C1、第一开关S1，机械开关K分断过程中，机械开关K连接的电源依次通过电容C1、第一开关S1为负载RL供电，负载RL两端电压快速提升，机械开关K两端的电位差快速下降，达到机械开关K分断灭弧的目的。

本发明设计合理，本发明具有电容的利用率高的优点。

附图说明

图1是本发明交流灭弧电路的电路原理图。

图2是本发明交流灭弧电路及装置、开关系统实施例一原理图。

图3是本发明交流灭弧电路之充电电路的电路原理图。

图4是本发明交流灭弧电路之光电耦合单元的电路原理图。

图5是本发明交流灭弧装置及开关系统实施例二示意图。

图6是本发明半控型器件串联不可控型器件电路原理图。

具体实施方式

本发明交流灭弧电路及交流灭弧装置、开关系统实施例一，如图2所示：

一种交流灭弧电路，所需灭弧的机械开关K与负载RL连接，其包括电容C1、第一开关S1，机械开关K分断过程中，机械开关K连接的电源通过电容C1、第一开关S1为负载RL供电，用于机械开关K灭弧，还包括第二开关S2、第三开关S3，第一开关S1包括第一器件SCR1、第二器件SCR2，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3为可控半导体开关，第一器件SCR1与第二器件SCR2同向串联组成第一串联电路，第一器件SCR1与第二器件SCR2的共同端与负载RL连接，第一串联电路的两端与电容C1两端连接，第三开关S3与第一器件SCR1反向串联，第二开关S2与第二器件SCR2反向串联；各第一器件SCR1之间、各第二器件SCR2之间为反向串联关系。

为有效克服多路机械开关K布局分散造成电容C1相对各负载RL灭弧回路线路过长带来的线损，提供足够的灭弧电流，提升灭弧效果，电容C1连接有用于反向预先充电的充电电路(如图3所示，该电路也可作为放电电路，可内置在控制单元A中，由控制单元A完成；也可以选其它充电电路，如开关电源，电容C1前端利用一电容预先充满电，对电容C1充电，提升二次灭弧的响应速度，尤其合适灭弧失败快速补充对电容C1的灭弧能量，可内置在控制单元A中)。

充电电路：对电容C1反向预充电，也可以用于对负载RL预先通电，包括第五器件S5、变压器T1(可采用工频变压器)、第一二极管D1、第一元件R1(电阻，或电感，可选)、第二二极管D2(可选)、第三二极管D3(可选，当变压器输出绕组内阻较大时，第三二极管D3可省略)，变压器T1输出端通过第二二极管D2、第三二极管D3、第五器件S5、第一元件R1与电容C1连接，电容C1通过第一二极管D1、第五器件S5、第一元件R1放电。

当第五器件S5在机械开关K闭合前导通，用于机械开关K闭合灭弧；或第五器件S5在机械开关K1闭合前导通，用于负载RL(容性负载，如无功补偿的电容)预先充电。

第五器件S5用于电容C1放电；第五器件S5优选单向晶闸管。

一种包括以上所述交流灭弧电路的交流灭弧装置，所述交流灭弧装置还包括一控制单元A，第一器件SCR1、第二器件SCR2、第二开关S2、第三开关S3的控制信号由控制单元A提供。

电容C1的电压信号传递至控制单元A(可用于检测电容C1的容量，也可以采用一电流传感器检测电容C1的电流信号，电流信号传递至控制单元A)，控制单元A异步提供脉冲信号至第一器件SCR1、第二器件SCR2、第二开关S2、第三开关S3，用于检测第一器件SCR1、第二器件SCR2、第二开关S2、第三开关S3，可用于检测是否完成灭弧，或检测是否击穿。

还包括一光电耦合单元(如图4所示，可内置在控制单元A中)，光电耦合单元用于检测电容C1两端的电压，光电耦合单元包括第二限流元件R2、光电耦合器(OPT1、OPT2)组成，第二限流元件R2与光电耦合器(OPT1、OPT2)组成的串联电路与电容连接，光电耦合器(OPT1、OPT2)的输出信号传递至控制单元A；光电耦合单元为双向输入、双输出电压检测单元，第一光电耦合器OPT1与第二光电耦合器OPT2反向并联，也可以采用第一光电耦合器OPT1与第二光电耦合器OPT2反向串联，第一光电耦合器OPT1与第二光电耦合器OPT2各并联一二极管。

J1可外接电源端口(可选)；J2为通信端口，用于传输和接受相关信息。

工作原理：系统上电，控制单元A对电容C1反向充电，在分断过程中，机械开关K正向导通期间，电源通过第二开关S2、电容C1、第一器件SCR1为负载RL供电，机械开关K两端的电位差快速下降(或机械开关K两端的呈现负电压)，达到对机械开关K灭弧的目的；在分断过程中机械开关K负向导通期间，电源通过第三开关S3、电容C1、第二器件SCR2为负载供电，机械开关K两端的电位差快速下降，达到对机械开关K灭弧的目的；在灭弧完成后，控制单元A对电容C1放电，然后对电容C1反向充电，准备下一个工作过程。

控制单元A：用于对电容C1充电、放电，为提高响应速度，控制单元A采用半导体开关对电容C1充电和/或放电，内置一可编程器件(如微控制器)，控制单元A内置控制程序的智能化单元，在不增加硬件资源或增加极少硬件资源的条件下，实现对多路负载RL依据各自的不同状况(容性，感性、阻性、电流)调整控制方式，提高灭弧效果，有效提升多路机械开关K的电寿命，可以完成定时(延时控制开关导通)、电压采集、电压比较(如机械开关两端的电压)、逻辑处理、控制电容C1充放电、对电容C1充电电压进行调整等，有利于简化电路；共用电容C1、控制单元A对多路机械开关K(机械开关可以互为串联或并联关系)进行灭弧控制、机械开关K闭合灭弧(或负载RL预充电)和检测(闭合状态、断开状态、燃弧，及各状态是否稳定正常)，根据机械开关K的燃弧情况、操作次数对机械开关K寿命进行计算，并传输或显示相关信息(故障代码、机械开关的操作次数、电寿命、机械寿命、工作状态等)，有利于提高电控系统的整体安全性，方便维修，具有更高性价比的特点，可广泛应用于各种电控领域，作为一种具有增加机械开关电寿命、机械开关寿命计算及寿命终结预告、机械开关工作状态检测的多路机械开关智能管理系统。

由于与控制单元A连接的多路机械开关K及多路负载RL电特性未必一致，为达到最佳灭弧效果，控制单元A储存与负载RL的电流相关的参数，或输入与负载RL的电流相关的参数或信号，或机械开关K的动作时间参数，电容C1的充电电压与通过所需灭弧的机械开关K的电流成正比(利用控制单元A对电容C1的充电电压进行调整)，机械开关K分断工作过程中，第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3延时导通的时间与负载RL的电流成正比，延时的时间参数可以由控制单元A内置的可编程器件完成；有利于克服在灭弧过程中过电压对系统的影响，并达到最佳灭弧效果。

机械开关K的控制信号(不限于由机械开关K的控制端提供，也可以由J2端口提供)传递至控制单元A，或机械开关K的控制信号由控制单元A提供，或采用机械开关K的辅助开关信号传递至控制单元A，后者也可以结合前面任一项使用，有利于机械开关K闭合完成前提前控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3导通，并有利于提高灭弧准确性、实时性，更有利于对各个机械开关的动作逻辑、灭弧控制逻辑优化控制，根据需要选用；控制单元A用于记录机械开关的操作次数，控制单元A检测(通过检测相应电压信号，或机械开关K的辅助开关，或负载电流)机械开关K的触点断开。

控制单元A可包括显示单元，或连接有显示单元(可采用通信口连接)，用于显示机械开关K动作状态、机械开关K操作次数、灭弧动作状态、机械开关K剩余寿命(机械寿命、电寿命)等信息；控制单元A可包括输入单元(按键等)，或连接有输入单元(可采用通信口连接)。

机械开关K与负载RL的共同端的电压信号传递至控制单元A(为负载RL两端电压，或机械开关K两端电压，或共同端相对于电容C1的电压)，机械开关K的输入端电源的电压信号连接至控制单元A。

以上实施例，在控制单元A检测到灭弧失败的工况下(控制单元A根据电容C1的电压或电流得知；控制单元A再次对电容C1进行充电，然后进行第二次灭弧，可以极大的提高灭弧的可靠性、二次灭弧的响应速度；控制单元A利用一变压器驱动第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3。

机械开关K、负载RL、第一开关S1数量为二，或二以上，共用电容C1、第二开关S2(可选)、第三开关S3(可选)、控制单元A等资源，可达到大幅度节约成本、减少体积的目的，同时灭弧电压采用高于负载RL工作电压，具有有效克服多路机械开关K布局分散造成电容C1相对各负载RL灭弧回路线路过长带来的线损，提供足够的灭弧电流，提升灭弧效果；采用电容对灭弧电流有效值的限制，防止第一开关S1击穿带来对其它回路负载RL供电的风险；各路所需灭弧的机械开关K与负载RL的共同端之间通过第一开关S1相连接，各路的第一器件SCR1(第二器件SCR2)之间为反向串联连接(耐压值为二个第一器件SCR1，或二个第二器件SCR2的耐压值相加)，不存在误导通造成的机械开关K对另一路机械开关K连接的负载RL供电的问题，且具备各路机械开关K输出端之间的耐压高(当第一开关S1采用单向晶闸管时轻松可达4000伏特)、响应速度快、体积小、成本低、不存在灭弧操作次数寿命的限定等优点；在系统电压较高时为进一步提高安全性，第一器件SCR1、第二器件SCR2、第二开关S2、第三开关S3可采用半控型器件(如单向晶闸管，其常规型号耐压可以达1500到2000伏特，采用额定电流25安培的单向晶闸管，可对上千安培电流的机械开关灭弧)串联一只或一只以上数量的二极管(不可控型器件，二极管常规耐压可以达1000到2000伏特，采用额定电流10安培二极管，可对上千安培电流的机械开关灭弧，设计选型时采用的二极管的工作可靠性优于半控型器件)组成(如图6所示)，可大幅度提升各路机械开关输出端之间的绝缘耐压(轻松可达6000伏特，或万伏特以上)，具有成本低、高耐压能力、过流能力强、可靠性高的优点。

以上第一器件SCR1、第二器件SCR2、第二开关S2、第三开关S3为可控半导体开关，优选为半控型器件，且半控型器件优选为单向晶闸管；选用第二开关S2、第三开关S3的载流量大于第一开关S1(第一器件SCR1、第二器件SCR2)的载流量，所需灭弧的机械开关数量多时，有利于降低成本，且能保证系统工作的可靠性。

当第一器件SCR1、第二器件SCR2、第二开关S2、第三开关S3采用全控型器件，全控型器件需至少串联一二极管。

本发明交流灭弧装置所需灭弧的机械开关K可以采用在工作条件下本身不具备分断力(电压、电流分断力)的机械开关(继电器、接触器、行程开关等)，达到大幅度减低成本、减重、减少机械开关体积的目的；

同时不具分断力的机械开关与具有分断力的机械开关相比其机械触点的分断和闭合速度更慢，机械冲击更小，具有更高的操作电寿命，当机械开关K处于运动状态并可能出现意外机械冲击的工况下，机械开关K在常开状态下可能意外闭合又分断，或开距变小，或机械开关K两端出现冲击电压，这时可能出现燃弧，当控制单元A在机械开关K分断状态下检测到燃弧时，控制单元A控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3进行灭弧。

本发明交流灭弧装置及开关系统实施例二，如图5所示：

一种交流灭弧装置，即一多路机械开关管理系统(单路或多路机械开关电弧管理系统)，对以上所述灭弧装置放置一外壳内，作为一通用性强的产品，通过端子与外部各路机械开关、上位机等连接，方便安全认证，普及推广使用，所述交流灭弧装置的具体外形可以根据需要灵活设计，地端根据需要选用。

一种包括以上所述的灭弧装置放置的开关系统(实施例一，如图1；实施例二，如图5)，还包括机械开关K，机械开关K本体不具备对负载电流的分断力(指在本发明交流灭弧装置不介入灭弧条件下)。

本发明交流灭弧装置，不但是一种具有增加机械开关电寿命的智能电子灭弧系统，且在不增加硬件资源的条件下可作为机械开关寿命计算及寿命终结预告、机械开关操作次数记录、机械开关工作状态检测的多路机械开关智能管理系统，还可以大幅度减少系统(电控系统)的人工维护成本、运行成本，提高系统运行的安全性，提升设备的智能化水平，无需采用笨重昂贵的高分断力的机械开关(改变原有的电气设计标准)，减少频繁更换开关造成的环境污染，具有很高的经济价值和社会价值，极其有利于改变电子灭弧难以普及的现状。

采用本发明交流灭弧装置的开关系统，不但结合了本发明交流灭弧装置的优点，机械开关本体不具备对负载电流的分断力，突破了传统开关系统的设计规范，本发明的开关系统的机械开关与传统机械开关(具有分断力)相比具有触点所需开距小、分断速度更慢(减少驱动功耗及对开关本身的机械冲击)、无需采用灭弧栅、真空或充气灭弧措施，机械开关具有低成本、闭合弹跳小、接通电流大、低功耗、机械寿命更长、工作噪音低、体积小的优点。

以上实施例，电容C1可串联一电感限流(当电容C1对负载RL工作线路内阻较大时可以省略)，用于提升电容C1对负载RL的供电时间、减低电流的上升速率；串联电感参数的选取：本装置在实际工况条件下，使得通过第一开关S1的电流上升速率小于第一开关S1的极限上升速率；为达到最佳效能和安全性，在现场，可利用一导线对负载RL两端短接；或利用一电容(或其它容性或阻性负载)与负载RL两端并联；电容C1充电，然后第一开关S1导通，系统电压与电容C1的电压叠加，使得通过第一开关S1的电流上升速率小于第一开关S1(第一器件SCR1、第二器件SCR2)、第二开关S2、第三开关S3的极限上升速率。

以上实施例尤其适合1200伏特以下交流系统中对接触器、继电器等机械开关灭弧，当对三相交流电使用时，只要增加相关电路即可，工作原理相同。

以上实施例，电容C1的容量的优选为第一开关S1的导通时间不大于1毫秒(200微秒内为佳，建议在机械开关K的触点存在一定开距时，该开距的击穿电压大于机械开关K的工作电压，第一开关S1导通，只要提供负载有几十个微秒的脉冲电流即可达到满意的灭弧效果，)，本发明灭弧装置可轻松满足百次以上每秒的灭弧频率。

注意：本发明的交流包括正弦波交流(如工频)，方波交流(直流换向)及其它交流。

本发明以上实施例具有以下优点：

1、各路机械开关与负载连接的共同端通过半导体器件(第一开关S1)相连接，电容利用率高，大幅度节约成本、减少体积、提高灭弧的响应速度。

2、采用电容方便储能升压，可以提供大于机械开关的输入电源电压的电脉冲给负载，在灭弧回路线路长、线径小、内阻较大的条件下也能输出极大的灭弧电流(1平方的导线可传输几百至上千安培的电流)；当采用电压预先反向充电技术方案，灭弧电压为电容电压与交流正弦波电压叠加(电容预充电的电压建议不高于交流峰值电压的50％)，灭弧电压可以随交流正弦波电压浮动。

3、利用电容使得灭弧能量为已知，有效防止第一开关损坏，对其它回路负载的影响。

综上所述，本发明具有电容利用率高、适用范围广的优点。

Claims (15)

1.一种交流灭弧电路，所需灭弧的机械开关与负载连接，其特征是：所述交流灭弧电路包括一电容、第一开关，所述机械开关分断过程中，所述机械开关连接的电源通过所述电容、所述第一开关为所述负载供电，用于所述机械开关灭弧，所述第一开关、所述机械开关、所述负载数量为二，或二以上，所述第一开关为半导体开关，各所述机械开关与所述负载连接的共同端通过所述第一开关相连接。

2.根据权利要求1所述的交流灭弧电路，其特征是：还包括第二开关、第三开关，所述第一开关包括第一器件、第二器件，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关为可控半导体开关；

在分断过程中所述机械开关正向导通期间，所述电源通过所述第二开关、所述电容、所述第一器件为所述负载供电；

在分断过程中所述机械开关负向导通期间，所述电源通过所述第三开关、所述电容、所述第二器件为所述负载供电。

3.根据权利要求2所述的交流灭弧电路，其特征是：所述第一器件与所述第二器件同向串联组成第一串联电路，所述第一器件与所述第二器件的共同端与所述负载连接，所述第一串联电路的两端与所述电容两端连接，所述第三开关与所述第一器件反向串联，所述第二开关与所述第二器件反向串联。

4.根据权利要求2所述的交流灭弧电路，其特征是：所述可控半导体开关为一半控型器件。

5.根据权利要求2所述的交流灭弧电路，其特征是：所述第一器件、所述第二器件串联一只或一只以上数量的二极管；或所述第一器件、所述第二器件、所述第二开关、所述第三开关串联一只或以上数量的二极管。

6.一种包括权利要求2至5任一项所述的交流灭弧电路的交流灭弧装置，其特征是：还包括一控制单元，所述第一器件、所述第二器件、所述第二开关、所述第三开关的控制信号由所述控制单元提供，所述控制单元与所述电容连接。

7.根据权利要求6所述的交流灭弧装置，其特征是：所述电容的电压信号或电流信号传递至所述控制单元。

8.根据权利要求7所述的交流灭弧装置，其特征是：所述控制单元异步提供脉冲信号至所述第一器件、所述第二器件、所述第二开关、所述第三开关，用于检测所述第一器件、所述第二器件、所述第二开关、所述第三开关；

或所述控制单元异步提供脉冲信号至所述第一器件、所述第二器件，用于检测所述第一器件、所述第二器件；

或所述控制单元异步提供脉冲信号至所述第二开关、所述第三开关，用于检测所述第二开关、所述第三开关。

9.根据权利要求7所述的交流灭弧装置，其特征是：所述交流灭弧装置用于检测所述第一器件、所述第二器件、所述第二开关、所述第三开关；

或用于检测所述电容的容量；

或用于检测所述第一器件、所述第二器件、所述第二开关、所述第三开关，用于检测所述电容的容量；

或用于检测是否完成灭弧。

10.根据权利要求7所述的交流灭弧装置，其特征是：还包括一光电耦合单元，所述光电耦合单元用于检测所述电容两端的电压，所述光电耦合单元由第二限流元件、光电耦合器组成，所述第二限流元件与所述光电耦合器组成的串联电路与所述电容连接，所述光电耦合器的输出信号传递至所述控制单元。

11.根据权利要求10所述的交流灭弧装置，其特征是：所述光电耦合单元为双向输入、双输出电压检测单元。

12.根据权利要求7所述的交流灭弧装置，其特征是：所述机械开关的控制信号传递至所述控制单元；或所述控制单元提供所述机械开关的控制信号；或所述机械开关的辅助开关信号传递至所述控制单元。

13.根据权利要求7所述的交流灭弧装置，其特征是：所述控制单元用于对所述电容充电和/或放电。

14.根据权利要求7所述的交流灭弧装置，其特征是：所述交流灭弧装置放置一外壳内。

15.一种包括权利要求7所述的交流灭弧装置的开关系统，其特征是：还包括所述机械开关，所述机械开关不具备对所述负载的工作电流分断能力。

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