CN1472758A - 电子式零负荷投切的开关电器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子式零负荷投切开关电器，包括一个常规的开关电器JS，该开关电器包含一线圈及受该线圈控制的触点JS₁和JS₂，在开关电器内还包含一指令发生器，其包含一信号输入端A，并有一瞬态信号输出端G和一稳态信号输出端C；该稳态信号输出端C可通过一稳态执行电路(12)和开关电器JS的线圈相接；该瞬态信号输出端G可通过一瞬态执行电路(22)和一电力电子元件的控制端相接；所述的受线圈控制的触点JS₁、JS₂和所述的电力电子元件并连。解决了投切时产生浪涌电流和拉弧的难题，并延长了开关电器的电寿命，提高了可靠性。

Description

电子式零负荷投切的开关电器

技术领域

本发明涉及一种融合了电力电子技术的电子式零负荷投切的开关电器，特别涉及电子式接触器、功率继电器、启动器、断路器等开关电器，适用工业和民用的各种场合，属于低压电器技术领域。

背景技术

这里所指的开关电器是低压电器中的交流接触器、功率继电器、启动器、断路器及各种刀开关。此类电器主要用于低压配电系统和电力系统。

在电力系统中，为了减少线路的电压损耗和提高电力线路的功率因数，几乎每一家工厂、企业、大楼都必须按供电部门的要求，安装无功功率自动补偿装置。其电气原理，就是如电力网络的负载状况自动投入或退出并联的电力电容，以补偿无功损耗。由于是自动投切，而电力负载又是一个不断变化的动态过程，因此造成电力电容的投切频率要大大高于手动投切。这种情况导致了一个技术难题的产生，这就是电力电容在投入瞬间的浪涌电流过大，难以克服。

因此，在电力行业中，使用无功补偿器，在投入电力电容时，往往会在接触器等多种开关电器触点处产生极大的火花，在切断电力电容时，又容易粘住触头，造成咬死，松不开的现象。之所以出现上述的问题，是因为电容器固有的物理特性是：电容两端的电压不能跃变。在电力电容投入电网的瞬间，由于其初始状态电压为零，一下子投到220V或380V电压的电网中，将造成巨大的浪涌电流，其幅值在不加其他措施时，通常的浪涌电流为器件额定电流的20倍以上，因此导致交流接触器等多种开关电器和电力电容本身受到大电流冲击而损坏。

为解决上述问题，现有的解决办法有下列两种：

第一种：采用带预投电阻的CJ19型专用接触器；

第二种：采用双向晶闸管取代投切电力电容的接触器。

上述两种方案都有各自的弊端。因为若采用第一种方案，并不能根本解决触头烧损问题，因为它是利用机械弹簧加电阻对于三相同时投入。而实际上，每相之间相位差为120度，不可能保证三相电容在投入时每相都保证无浪涌电流的投入，何况机械式接触器由于弹簧新旧，应力不一样，同样很快会失去保护触头不烧损的作用。试验证明，采用第一种方案时，其浪涌电流仍为电力电容额定电流的9～10倍。

采用方案第二种，尽管可以减少浪涌电流，但确会带来另外的问题。其一，这时是用双向晶闸管取代接触器，其导通时有0.8V左右的导通压降，会造成电路功耗过大。其二，由于晶闸管在过零时有一个死区电压造成电压电流的不连续性，从而使电网中产生较大的谐波成份。后种状况，在电力系统中是被严格禁止的。因为，电网谐波成份过大会导致电力系统中许多自动控制设备失灵，酿成更大的电力事故。其三，完全用双向晶闸管代替接触器也造成整体成本过高。

需要指出的是，仅仅靠机械结构的设计改进不能完全满足或克服其工作过程中瞬态变化要求，导致传统的接触器等开关电器的工作寿命和可靠性降低。

按照本发明涉及的技术领域，经检索与此相关的专利和文献多篇，其中最为接近的有两篇，分述如下：

一、新型智能混合式交流接触器。刊载于《低压电器》2001年第一期第20页至第21页。该文介绍了一种新型的混合式智能交流接器，其仅用2个单向晶闸管就实现了接触器的少弧或无弧运行，且大大降低成本、减少体积，该接触器实现了全过程的动态优化控制。

二、用小电流晶闸管使接触器实现无弧运行。刊载于《电工电能新技术》1997年(4)第59页至第62页。报道提出用小电流晶闸管与接触器组成组合开关，在接通与关断电路时无电弧，接触器可省灭弧罩，结构简化，且用于易燃易爆场合。晶闸管无需电子触发电路。

上述两篇文献公开的技术方案构思，虽然从技术上有减少拉弧的优点，但能不能解决巨大的浪涌电流不得而知。第一篇文献采用2只单向晶闸管，一相始终是带电的，投切时会使接触器产生冲击；第二篇文献的技术方案的缺点它是不过零的，同样会造成对接触器及负载的冲击。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子式零负荷投切的开关电器，即将微电子技术、电子技术构成的电路与传统的开关电器结合起来，该开关电器在线路中通电或断电的瞬间由增设的电子控制单元来完成瞬态过程，待瞬态过程结束后，开关投入运行，从而达到开关电器零负荷投切的目的，有效的解决了切换瞬间的浪涌电流和拉弧的问题，延长了开关电器的使用寿命。

本发明的技术方案是：提供一种电子式零负荷投切的开关电器，其包括一个常规的开关电器，该开关电器包含一线圈及受该线圈控制的触点，在开关电器内还包含一指令发生器，其包含一信号输入端，并有一瞬态信号输出端和一稳态信号输出端；该稳态信号输出端可通过一稳态执行电路和开关电器的线圈相接；该瞬态信号输出端可通过一瞬态执行电路和一电力电子元件的控制端相接；所述的受线圈控制的触点和所述的电力电子元件并连。

所述的指令发生器是一个配有能产生相应指令时序软件的单片机；所述的单片机的指令时序软件程序流程如下：

打开单片机，该单片机信号输入端得到一信号，其瞬态信号输出端输出一瞬态信号，瞬态执行电路及电力电子元件投入工作；

经一时延，单片机稳态信号输出端输出一稳态信号，稳态执行电路投入工作，瞬态执行电路及电力电子元件退出工作；

关机，其瞬态信号输出端输出一瞬态信号，瞬态执行电路及电力电子元件投入工作；稳态执行电路经一时延，退出工作，再经一时延，瞬态执行电路及电力电子元件退出工作。

所述的单片机是SOC单片机；所述的瞬态执行电路和所述的稳态执行电路中各包含一过零触发的光电耦合器；所述的电力电子元件是一双向晶闸管。

所述的稳态执行电路为一三相稳态执行电路，所述的瞬态执行电路为一三相瞬态执行电路，其分别包含瞬态执行电路，所述的开关电器为一三相开关电器；所述的电力电子元件分别为三个双向晶闸管；其控制端分别通过瞬态执行电路和所述的瞬态信号输出端相接，并分别和所述的三相开关电器的三组触点并联；所述的三相瞬态执行电路中分别包含三个过零触发的光电耦合器，其输入部分接成串联状态，输出部分分成为三个独立环节，每个环节分别对应三相开关电器的三组触点；所述的开关电器是一交流接触器、或是一断路器、或是一启动器、或是一功率继电器。

本发明的效果：本发明的开关电器从根本上解决了在通电时产生的巨大浪涌电流，以及断开时产生的拉弧问题。由于不再产生浪涌电流和拉弧，开关电器中不再需要灭弧罩，体积也可以缩小，节省触头材料的贵金属。由于开关电器量大面广，在低压线路不可缺少，因此它的生产、使用、可以解决开关电器电寿命短的问题并提高其可靠性，对开关电器来说是具有革命性的变化。

附图说明

图1为本发明的电气原理框图；

图2为本发明单相执行电路电气原理图；

图3为本发明的开关电器触发和工作时序图；

图4为本发明的SOC单片机软件程序流程示意图；

图5为本发明三相执行电路电气原理图；

具体实施方式

以下如图1～图5，说明本发明的一个较佳实施方式。

如图1所示，该电子式零负荷投切的开关电器中，包括一个常规的开关电器JS，该开关电器包含一线圈及受该线圈控制的触点JS₁和JS₂，并包含一指令发生器1，其带有一信号输入端A，及一稳态信号输出端C，一瞬态信号输出端G，该稳态信号输出端C通过一稳态执行电路12和开关电器JS的线圈相接，该瞬态信号输出端G可通过一瞬态执行电路22和一双向晶闸管U₁₂的控制端相接；所述的受线圈控制的触点JS₁、JS₂和所述的双向晶闸管U₁₂并连。

参照图2，为本发明单相强电控制电路电气原理图，在本发明中，指令发生器1是一个SOC单片机，该单片机的A端，C端，G端时序图如图3所示，其内部装载一能发生指令信号的程序，工作原理说明如图4所示，当开机后，A点输入从A＝0到A＝1时的瞬态，G从1至0，而C经一延时从1至零，此时，SOC单片机发出瞬态指令，启动瞬态执行电路22，此时，接触器JS的触点JS1和JS2尚未导通，巨大的浪涌电流从双向晶闸管U₁₂一侧通过，随后，触点JS1和JS2闭合，由于在此之前触点两端电压仅为双向晶闸管U₁₂的导通电压0.8V左右。所以接触器JS的触点JS1，JS2几乎处于空载操作，而不会产生触点火花，而使触点JS1和JS2受损，当经历此暂态过程，G点从0至1，而C则为0，此时，瞬态执行电路22不进行工作，双向晶闸管U₁₂退出运行，而稳态执行电路12则进行工作，此后的稳态工作由接触器JS承担，所以也不会产生当双向晶闸管U₁₂导通时产生的谐波，干扰电网。同理，当SOC单片机发出切断接触器指令时，在此瞬态过程，A从1至零，此时G从1变0，瞬态执行电路22投入工作，晶闸管U₁₂投入运行，触点JS1和JS2断开，在JS1和JS2断开瞬间，双向晶闸管U₁₂仍处于导通状态，因此使接触器JS的触点JS1和JS2产生断电时的拉弧现象。

稳态执行电路12中，还包括一光耦电路U₉，双向晶闸管U₁₁，电阻R₇，R₉；瞬态执行电路22包括由光耦电路U₁₀，电阻R₈，R₁₂₅，稳态执行电路12输入控制指令由C点输出，瞬态执行电路22输入控制指令由G点给出。由于U₉，U₁₀选用过零触发的光耦元件，能保证整个系统过零投切，使浪涌电流消除。图中U_in为输入电源，CL为作为负载的电力电容。

以上的工作原理，即适用于单相强电回路，也可以适用于三相强电回路。

参照图5，它是三相电子式过零投切开关电器的强电执行电路。

在图5中，三相开关电器的稳态执行电路12’与图2中开关电器稳态执行电路12一样，包括由光耦U₁₃，双向晶闸管U₁₄，电阻R₁₃，R₁₄，R₁₅，电容C₆和三相开关电器JS3；三相瞬态执行电路22’，包括瞬态执行电路221’，222’，223’，其分别包括双向晶闸管U₁₆、U₁₈、U₂₀、电阻R₁₆、R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀、R₂₁、R₁₃，电容器C₇、C₈、C₉，光电耦合器U₁₅、U₁₇、U₁₉的输入部分接成串联状态，光耦输出部分分为三个独立环节，每个环节电路与图2中的瞬态执行电路22一样，分别对就应三相开关电器的三组接触点JA，JB，JC。同样道理，由于采用了过零触发光耦元件，可以使三相的三组触点，分别在各自回路过零点时导通。

上述为本发明的一个总的技术构思，因为这里所说的开关电器实际包括交流接触器、断路器、启动器、功率继电器，上述的每种电器均可构成一个实施例。在此不一一说明。其中交流接触器与图1的结合为本发明的较佳实施例。

由于不产生浪涌电流和拉弧，原来的开关电器中的灭弧罩不再需要，体积可以缩小，触头材料也可以省去贵金属；触头行程缩短使线圈电磁力减少；触头相间距离减少，使结构紧凑等。

本发明具有广阔的应用前景。

第一，在电力电工行业，它将以机电一体化的新型电子型开关电器淘汰传统的带预投电阻的CJ19型电力电容专用开关电器，并取而代之。

第二，在电梯行业中感性负载，大量使用传统开关电器，它由于频繁启动投切，触点烧损严重，常常造成电梯故障。本发明的开关电器用于电梯行业，可望结束电梯工作不可靠的历史。

第三，因为浪涌电流在电工行业是一个普遍现象，任何电气的瞬态电流常常是稳态电流的几倍到十几倍，采用本发明专利作成的电子型开关电器，将可使现有接触器等开关电器的电气寿命延长五倍以上，即使其电气寿命达到与机械寿命一样长(通常的开关电器规范：电气寿命为其机械寿命的1/5)。

第四，如果电工行业广泛采用本发明专利技术，将可大规模的节能和节省成本。因为使用本发明专利后，开关电器的选型可按额定电流的1/2～1/5来选用。这是因为，在传统开关电器的设计中，由于要兼顾其承受瞬态和稳态的两方面工作，不得不加大设计容量。例如，一般交流开关电器在投入运行时的触点电流，通常设计成其额定稳态电流的10至12倍。现在本发明专利，采用电力电子元件取代常规开关电器承担了电气的瞬态工作过程。一个额定电流为10A的开关电器，即便用于50A额定电流的工作场所，也无触头烧损之虑。另外，由于晶闸管仅处于0瞬态导通状态，几乎不用考虑采用散热措施。在容量规格的选型上也可以“小材大用”，降低成本。更重要的是，不像采用固态继电器那样会产生谐波，从而造成“电污染”。

因此，在任何使用开关电器的场合，这类新型零投切开关电器将以它的功耗小，不产生谐波，成本低，工作可靠等种种优点取代传统的交流开关电器。从而，受到电力电工行业的普遍欢迎。

Claims (10)

1.一种电子式零负荷投切的开关电器，包括一个常规的开关电器JS，该开关电器包含一线包及受该线包控制的触点JS₁和JS₂，其特征在于，

还有一指令发生器，其包含一信号输入端A，并有一瞬态信号输出端G和一稳态信号输出端C；

该稳态信号输出端C通过一稳态执行电路(12)和该开关电器JS的线包相接；

该瞬态信号输出端G通过一瞬态执行电路(22)和一电力电子元件的控制端相接；

所述的受线包控制的触点JS₁、JS₂和所述的电力电子元件并联。

2.如权利要求1所述的电子式零负荷投切的开关电器，其特征在于，所述的指令发生器是一个配有能产生相应指令时序软件的单片机。

3.如权利要求2所述的电子式零负荷投切的开关电器，其特征在于，所述的单片机的指令时序软件程序流程如下：

该单片机信号输入端A输入一开启信号，其瞬态信号输出端G输出一瞬态信号，瞬态执行电路(22)及电力电子元件投入工作；

经一时延，单片机稳态信号输出端C输出一稳态信号，稳态执行电路(12)投入工作，瞬态执行电路(22)及电力电子元件退出工作；

该单片机信号输入端A输入一关闭信号，其瞬态信号输出端G输

出一瞬态信号，瞬态执行电路(22)及电力电子元件投入工作；稳态执行电路(12)经一时延，退出工作，再经一时延，瞬态执行电路及电力电子元件退出工作。

4.如权利要求2或3所述的电子式零负荷投切的开关电器，其特征在于，所述的单片机是SOC单片机。

5.如权利要求1或2，或3所述的电子式零负荷投切的开关电器，其特征在于，所述的瞬态执行电路(22)和所述的稳态执行电路(12)中各包含一过零触发的光电耦合器U₉、U₁₀。

6.如权利要求1或2，或3所述的电子式零负荷投切的开关电器，其特征在于，所述的电力电子元件是一双向晶闸管U₁₂。

7.如权利要求1所述的电子式零负荷投切的开关电器，其特征在于，所述的稳态执行电路为一三相稳态执行电路(12’)，所述的瞬态执行电路为一三相瞬态执行电路(22’)，其分别包含瞬态执行电路(221’)，(222’)，(223’)，所述的开关电器为一三相开关电器JS3。

8.如权利要求7所述的电子式零负荷投切的开关电器，其特征在于，所述的电力电子元件分别为三个双向晶闸管U₁₆、U₁₈、U₂₀，其控制端分别通过瞬态执行电路(221’)，(222’)，(223’)和所述的瞬态信号输出端G相接，并分别和所述的三相开关电器JS3的三组触点JA、JB、JC并联。

9.如权利要求7所述的电子式零负荷投切的开关电器，其特征在于，所述的三相瞬时执行电路中分别包含三个过零触发的光电耦合器U₁₅、U₁₇、U₁₉，其输入部分接成串联状态，输出部分分成为三个独立环节，每个环节分别对应三相开关电器JS3的三组触点JA、JB、JC。

10.如权利要求1所述的电子式零负荷投切的开关电器，其特征在于，所述的开关电器JS是一交流接触器、或是一断路器、或是一启动器、或是一功率继电器。

Images