CN115692060A - 一种采用半导体和电容的直流灭弧装置及灭弧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用半导体和电容的直流灭弧装置及灭弧方法，装置包括转换电源、驱动电路和灭弧组件，灭弧组件包括半导体开关和电容，半导体开关与负载的机械开关并联，电容与负载并联，负载接通供电电源后，转换电源启动，为半导体开关提供驱动电压，并为驱动电路提供供电电压，驱动电路用于驱动半导体开关的通断；灭弧方法为：负荷接通电源后，转换电源启动，单片机工作并输出驱动信号，驱动半导体开关和机械开关同时导通，并延时设定时间后驱动半导体开关关断，负载导通。本发明采用并联电容且串联半导体开关的方式，同步解决负荷开通和关断过程中的电弧问题，成本低，体积小，可放置于负荷内部实现融合，降低对插座、断路器的灭弧要求。
Description
技术领域
本发明涉及直流系统保护技术，特别是涉及一种采用半导体和电容的直流灭弧装置及灭弧方法。
背景技术
直流系统由于易于接纳分布式电源发电以及自身具备的高效率、低损耗等诸多优势已经受到了越来越多的关注，应用范围不断扩大。近年来，越来越多的建筑也开始了直流电的使用。
然而在应用过程中，由于直流电没有过零点，直流电器在插拔过程中极易产生电弧，造成安全隐患。现有的灭弧方法包括增加电阻泄放回路、利用横向金属栅片灭弧等，但多针对交流系统，应用于直流系统时存在插头插座结构复杂、装置价格高等问题，不适合办公和住宅场景下使用。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种采用半导体和电容的直流灭弧装置。
本发明的另一个目的是提供一种采用半导体和电容的直流灭弧方法。
技术方案：本发明的一种采用半导体和电容的直流灭弧装置，包括转换电源、驱动电路和灭弧组件，灭弧组件包括半导体开关Q2和电容C，其中，半导体开关Q2与负载R的机械开关SA并联，电容C与负载R并联，负载接通供电电源后，转换电源启动，为半导体开关Q2提供驱动电压，并为驱动电路提供供电电压，驱动电路用于驱动半导体开关Q2的通断。
优选的，驱动电路包括单片机、三极管光耦OP1和三极管Q1，转换电源为单片机提供供电电压，单片机输出驱动信号，驱动三极管光耦OP1导通，进而驱动三极管Q1导通，然后驱动半导体开关Q2与机械开关SA同时导通；单片机关断驱动信号，使得半导体开关Q2关断。
优选的，驱动电路还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，单片机输出驱动信号经串联的第一电阻R1后，再经第二电阻R2分压，然后驱动三极管光耦OP1导通，使得三极管Q1基极获取电压后导通，三极管Q1发射极经第三电阻与半导体开关Q2的基极连接，第四电阻R4一端与半导体开关Q2的基极连接，另一端接地，第四电阻R4的分压驱动半导体开关Q2与机械开关SA同时导通。
优选的，转换电源采用反激电路或转换芯片，用于获取12V、5V或3.3V电压；其中12V作为半导体开关Q2驱动电压，5V或3.3V作为驱动电路供电电压。
优选的，半导体开关Q2的额定电压高于供电电源电压，额定电流按不小于负载电流大小的1.5倍选取。
优选的，半导体开关Q2为全控型器件。
优选的，电容C额定电压取负载电压的1.5～2倍，电容值取47μF以上。
本发明的一种直流系统，该系统包括所述的直流灭弧装置。
本发明的一种采用半导体和电容的直流灭弧方法，该方法采用的装置包括：转换电源、驱动电路和灭弧组件，驱动电路包括单片机、三极管光耦OP1、三极管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，灭弧组件包括半导体开关Q2和电容C，其中，半导体开关Q2与负载R的机械开关SA并联，电容C与负载R并联，负载接通供电电源后，转换电源启动，为半导体开关Q2提供驱动电压，并为驱动电路提供供电电压，驱动电路用于驱动半导体开关Q2的通断；
灭弧方法包括以下步骤：
负载接通供电电源后，转换电源启动；
其次，转换电源为驱动电路提供供电电压，单片机通电后，输出驱动信号，经串联的第一电阻R1后，第二电阻R2分压使得三极管光耦OP1导通，三极管Q1基极获取电压后导通，三极管发射极经第三电阻R3后与半导体开关Q2的基极连接，第四电阻R4的分压驱动半导体开关Q2与机械开关SA同时导通，同时，单片机计时；
然后，单片机判断计时是否达到设定的定时时间，若否，则继续计时；若是，单片机即关断驱动信号，使得半导体开关Q2关断，负载导通。
本发明的一种计算机设备，包括存储器和处理器，其中：
存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；
处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行所述灭弧方法的步骤。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著技术效果为：(1)本发明采用并联电容且串联半导体开关的方式，同步解决负载开通和关断过程中的电弧问题；在负载电源线之间采用并联的方式跨接电解电容，在电路断开时，由于电容两端的存在与供电电源相同的电压，则不会产生电弧；考虑到在开关闭合瞬间由于充电导致的微火花问题，采用半导体开关进行闭合操作，与负载的机械开关同步动作，由于半导体开关开通速度快，会先于机械开关导通；半导体开关短暂延时待机械开关完全导通后再次断开，则机械开关可实现无压差导通，避免电弧发生，配合断开时电容的无压差断开从而实现全程无弧插拔；(2)相对于传统灭弧方法，本发明成本低，体积小，可放置于负载内部实现融合，降低对插座、断路器的灭弧要求。
附图说明
图1是本发明装置在直流供电系统中的结构示意图；
图2是本发明装置电路原理图；
图3是本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
图1为采用半导体和电容的直流灭弧装置在直流系统中的结构示意图，直流灭弧装置包括转换电源、驱动电路和灭弧组件，负载接通供电电源后，转换电源启动，并为驱动电路和灭弧组件提供驱动电压和供电电压。其中转换电源可采用反激电路或转换芯片(如XD308)获取12V、5V或3.3V电压；灭弧组件包括电解电容和半导体开关；驱动电路包括单片机、三极管光耦、三极管以及相应电阻。半导体开关选型主要考虑供电电源电压和负载电流情况，半导体开关的额定电压高于电源电压，额定电流按负载电流大小的1.5倍选取；电解电容额定电压取负载电压的1.5～2倍，电容值取47μF以上。
图2为采用半导体和电容的直流灭弧装置的电路原理图，灭弧组件包括半导体开关Q2和电容C，其中，半导体开关Q2与负载R的机械开关SA并联，电容C与负载R并联；驱动电路包括单片机、三极管光耦OP1、三极管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，单片机输出端串联第一电阻R1后，再经第二电阻R2分压，与三极管光耦OP1输入端连接，三极管光耦OP1的集电极和发射极分别与三极管Q1的集电极和基极连接，三极管Q1的发射极串联第三电阻R3后与半导体开关Q2的基极连接，第四电阻R4的一端与与半导体开关Q2的基极连接，另一端接地，转换电源的12V电压输出端与三极管Q1的集电极连接。
半导体开关Q2的开通和关断逻辑为：负载接通供电电源后，转换电源启动，单片机输出驱动信号(电压信号)，第二电阻R2分压使得三极管光耦OP1导通，三极管Q1基极获取电压后导通，第四电阻R4的分压驱动半导体开关Q2与机械开关SA同时导通，并维持100ms，单片机即关断驱动，使得半导体开关Q2关断，负载导通。由于半导体开关Q2速度快，电流首先经过半导体开关Q2，之后机械开关SA闭合，起到无弧通电的效果。半导体开关Q2可选择MOS管或IGBT等全控型器件。
图3为采用半导体和电容的直流灭弧方法流程图。负载接通供电电源后，转换电源启动，产生12V、5V或3.3V等电压，其中12V作为半导体开关Q2的驱动电压，5V或3.3V作为单片机供电电压。转换电源启动后，单片机工作并输出驱动信号，半导体开关Q2导通并延时100ms，同时机械开关SA闭合，由于半导体开关Q2速度快，则优先无弧导通，此时机械开关SA在闭合时，由于没有压差则不会形成电弧。
电路关断时(如SA弹开)，由于电容C的存在，SA两端电压仍保持平衡，没有压差，不会产生电弧，实现无弧关断，综上，负载实现无弧开断。
具体的，灭弧方法为：
负载接通供电电源后，转换电源启动；
其次，转换电源为驱动电路提供供电电压，单片机通电后，输出驱动信号，经串联的第一电阻R1后，第二电阻R2分压使得三极管光耦OP1导通，三极管Q1基极获取电压后导通，第四电阻R4的分压驱动半导体开关Q2与机械开关SA同时导通，同时，单片机计时；
然后，单片机判断计时是否达到设定的定时时间(一般不低于20ms即可，20ms是机械开关SA的动作时间)，若否，则继续计时；若是，则单片机关断驱动信号，使得半导体开关Q2断开，负载导通。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，其中：
存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；
处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行上述灭弧方法的步骤。
Claims (10)
1.一种采用半导体和电容的直流灭弧装置，其特征在于，包括转换电源、驱动电路和灭弧组件，灭弧组件包括半导体开关Q2和电容C，其中，半导体开关Q2与负载R的机械开关SA并联，电容C与负载R并联，负载接通供电电源后，转换电源启动，为半导体开关Q2提供驱动电压，并为驱动电路提供供电电压，驱动电路用于驱动半导体开关Q2的通断。
2.根据权利要求1所述的一种采用半导体和电容的直流灭弧装置，其特征在于，驱动电路包括单片机、三极管光耦OP1和三极管Q1，转换电源为单片机提供供电电压，单片机输出驱动信号，驱动三极管光耦OP1导通，进而驱动三极管Q1导通，然后驱动半导体开关Q2与机械开关SA同时导通；单片机关断驱动信号，使得半导体开关Q2关断。
3.根据权利要求2所述的一种采用半导体和电容的直流灭弧装置，其特征在于，驱动电路还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，单片机输出驱动信号经串联的第一电阻R1后，再经第二电阻R2分压，然后驱动三极管光耦OP1导通，使得三极管Q1基极获取电压后导通，三极管Q1发射极经第三电阻与半导体开关Q2的基极连接，第四电阻R4一端与半导体开关Q2的基极连接，另一端接地，第四电阻R4的分压驱动半导体开关Q2与机械开关SA同时导通。
4.根据权利要求1所述的一种采用半导体和电容的直流灭弧装置，其特征在于，转换电源采用反激电路或转换芯片，用于获取12V、5V或3.3V电压；其中12V作为半导体开关Q2驱动电压，5V或3.3V作为驱动电路供电电压。
5.根据权利要求1所述的一种采用半导体和电容的直流灭弧装置，其特征在于，半导体开关Q2的额定电压高于供电电源电压，额定电流按不小于负载电流大小的1.5倍选取。
6.根据权利要求1所述的一种采用半导体和电容的直流灭弧装置，其特征在于，半导体开关Q2为全控型器件。
7.根据权利要求1所述的一种采用半导体和电容的直流灭弧装置，其特征在于，电容C额定电压取负载电压的1.5～2倍，电容值取47μF以上。
8.一种直流系统，其特征在于，该系统包括权利要求1-7任一项所述的直流灭弧装置。
9.一种采用半导体和电容的直流灭弧方法，其特征在于，该方法采用的装置包括：转换电源、驱动电路和灭弧组件，驱动电路包括单片机、三极管光耦OP1、三极管Q1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，灭弧组件包括半导体开关Q2和电容C，其中，半导体开关Q2与负载R的机械开关SA并联，电容C与负载R并联，负载接通供电电源后，转换电源启动，为半导体开关Q2提供驱动电压，并为驱动电路提供供电电压，驱动电路用于驱动半导体开关Q2的通断；
灭弧方法包括以下步骤：
负载接通供电电源后，转换电源启动；
其次，转换电源为驱动电路提供供电电压，单片机通电后，输出驱动信号，经串联的第一电阻R1后，第二电阻R2分压使得三极管光耦OP1导通，三极管Q1基极获取电压后导通，三极管发射极经第三电阻R3后与半导体开关Q2的基极连接，第四电阻R4的分压驱动半导体开关Q2与机械开关SA同时导通，同时，单片机计时；
然后，单片机判断计时是否达到设定的定时时间，若否，则继续计时；若是，单片机即关断驱动信号，使得半导体开关Q2关断，负载导通。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器和处理器，其中：
存储器，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序；
处理器，用于在运行所述计算机程序时，执行如权利要求9所述灭弧方法的步骤。
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| CN202211198359.5A CN115692060A (zh) | 2022-09-29 | 2022-09-29 | 一种采用半导体和电容的直流灭弧装置及灭弧方法 |
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