CN1685458A

CN1685458A - 电开关电源

Info

Publication number: CN1685458A
Application number: CN 03822600
Authority: CN
Inventors: 奥利·萨洛宁; 马尔蒂·赛拉宁
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE; Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2003-09-23
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2023-09-23
Also published as: FI113502B; WO2004027807A1; PL375739A1; AU2003262614A1; CN100372039C; PL206414B1; RU2316074C2; RU2005111544A; AU2003262614B2; NO328490B1; FI20021692A0; NO20052005L; EP1547110A1

Abstract

一种实现提供给电开关(1)电源的方法和电开关的相应电源结构。将所述开关布置在交流电流源(E)，优选为交流电流电网与负载(L)之间的电流路径(J)中，以便中断和允许接通电源。还将电开关布置成与变流器(3)的初级绕组(W1)串联。当开关接通(a)时，在开关上取出开关的控制单元(2)所需以及可能开关本身所需的功率，并在开关断开和向负载(L)提供功率时，通过整流器(4)从变流器的次级绕组(W2)取出所述功率。本发明将变流器(3)布置成可以工作使得在电网电流的每半个周期变流器是饱和的，并整流所述变流器次级电路的次级电压(W2、W2a、W2b)的饱和峰值(KP)，以获得开关(1)断开(k)时的直流电源。

Description

电开关电源

技术领域

本发明涉及一种向权利要求1前序部分所述电开关实现供电的方法。本发明还涉及一种实现向权利要求2前序部分所述电开关的电源结构。

背景技术

本申请中的电开关是一种机电开关，例如继电器开关、半导体开关、和/或它们的组合，比如继电器开关和半导体开关的并联组合，如双向可控硅。这种类型的开关用于接通和断开连接到比如交流电网类的交流电源的电气设备，特别是照明设备，由比如定时器、双光开关或者移动开关控制这些电气设备。机电开关，比如继电器开关，适合与所有类型的负载一起使用，它们可以是电阻性的、电容性的、电感性的。当与继电器开关并联时，可以设置一个半导体开关，例如双向可控硅，可以利用各类负载提升负载电流，使负载电流等于继电器开关的额定电流。

对于所述设备，也就是通过电开关调节/控制的交流电源的负载而言，使该设备实现产生电网的相位前移线(电压/电流的相线)和零线(地线)。如今，将加到电开关控制单元，并且可能还要加到电开关本身的电源直接设置于电网电源上，即布置在电开关本身与零线之间。然而，应该指出，电网的零线不非总是可以利用的。例如，在内部电线设备中、在墙壁电源插座(即开关)中就是这种情况，在这种电源插座中不提供零线。在这种情况下，如果要按常规的方式向电开关以及它的控制单元提供电源，就必须在此之后安装零线。

只能利用带电的相线作为电源的电开关存在的问题之一在于，为了能够正常操作，电开关的控制单元(通常还有电开关本身)，在电开关断开(即导通)时和在电开关接通(即不导通)时，都需要电源。因为只有相位前移通过电开关，所以不存在任何参考电位，如地电位，从而产生电压差，而且，据此要将电开关布置在电开关和它的控制单元上。

在由美国专利出版物US-4,713,598公开的现有技术中，通过只利用带电的相线，在没有零线的情况下实现一种继电器开关，其中，加给PIR传感器的放大器上的电源被连接到所述继电器开关的控制器。现在，继电器开关都被用作所谓的双线开关。继电器开关与负载并联，并与变流器的初级绕组并联地连接到交流电网。当继电器开关断开(即它被导通)时，使变流器的初级绕组的交流电压得到整流，所得结果就是放大器电源所需的直流电压。当继电器开关被接通并且电流不能通过所述开关时，整流开关上的有效电压，并产生放大器所需的操作电压。

当继电器开关断开并且负载电流流过开关时，与负载上占优势的负载电压相比，变流器的初级绕组上的电压降是很微小的。通常情况下，这个电压降约为负载电压的1％。在初级绕组中占优势的电压降在变流器中变换成在二次绕组上的很大的二次电压，这个二次电压由一个二极管完全或者部分地整流，就这个二极管而言，设置一个旁路电容器作为引导电压的滤波器，并在这个二极管上获得放大器用的整流电压。例如，当负载是60瓦时，变流器的初级绕组和次级绕组的圈数W1、W2可以是W1＝45和W2＝2000。此外，初级绕组还包括几个阻抗抽头，在这种情况下，可以调节圈数比以适应负载。

问题在于在这种结构和这些措施当中，特别是在圈数方面，变流器占据大量的空间。把这类变流器装在有限的设备空间内，比如装在电开关的安装盒或类似电气设备中有些麻烦。

另一个问题是，拟与变流器串联耦合的负载大小受到限制。一般情况下，变流器都设计成用于小的负载，例如只用于一个60瓦的负载，就像上述美国专利出版物中给出的例子一样。如果类似的变流器与一个较大的负载一起使用，变流器的物理尺寸就要猛烈地增长。

发明内容

本发明的目的在于要消除与上述电开关电源有关的那些缺点。本发明的另一个目的是实现一种新的电开关电源，这种电开关电源特别适于提供用于安装在电气设备系统的安装盒中，特别是在凹凸凹榫式安装的安装盒中的开关的电源。

按照本发明，用于实现电开关电源的方法的特征在于权利要求1中所述的特征。本发明另一方面的电开关电源结构的特征在于权利要求2中所述的特征。从属权利要求表示本发明电源结构的优选实施例。

按照本发明的方法，为了实现电开关电源，将所述开关布置在交流电流源(最好是交流电流电网)与负载之间，以便中断和允许接通电源；并且还要将电开关布置成与变流器的初级绕组串联。当开关接通时，在开关上取出该开关的控制单元所需以及可能还有该开关本身所需的功率，并在开关断开而且在负载中提供功率时，通过整流器，从变流器的次级绕组取出所述功率。按照本发明，将变流器布置成可以操作，以便在电网电流的每半个周期变流器都是饱和的，并整流所述变流器次级电路的次级电压的饱和峰值，以便获得当开关断开时的直流电源。

本发明的优点在于，能够以小的尺寸实现在饱和范围内工作的变流器。可以保持变流器的导线匝数很小，在这种情况下，还能使变流器的尺寸明显小于常规的变流器结构。在必须把电开关、变流器和辅助的控制单元装在一个很小的空间里，特别是要装在一个电安装盒内时，这是特别重要的。

本发明的另一优点在于，可以在一个很宽的负载功率范围内，比如25瓦-3.7千瓦的范围内使用变流器。在这种情况下，负载电流可以处在100mA-16A的范围内。

附图说明

下面参照附图更加详细地描述本发明，其中：

图1描述本发明加给电源的电开关的原理；

图2描述本发明另一个电开关的原理和本发明电源的原理；

图3是本发明将电源实际用于电开关的示意图；

图4A和4B表示具有两个负载的变流器的次级电压曲线形式。

各图中对于相同的部件使用相同的标号。

具体实施方式

本发明涉及电控的电开关1，如机电械开关和/或半导体开关的电源结构，其中只设置一条线，即带电的相线通过所述开关。

将所述电开关1布置在电流路径中，例如在交流电流源E(最好在交流电网中一个相线)与负载L之间的电线J中，比如图1和2所示那样。就开关1而论，根据开关的位置(即在位置a开关接通和相应的位置k开关断开)切断或中断以及允许接通从交流电流源E到负载L的电源。借助于控制单元2，将电开关1设置在接通和断开位置。最好从外部的所述控制单元(参见图1和2中的箭头)给出加到控制单元2的功能命令。

电开关1的电源结构包括变流器3、整流器4和恒压源5。将变流器3的初级电路W1布置成与电开关1串连。将所述电开关1及其的控制单元2所需的电源布置成，使得在开关处于接通a，并且电源切断时，可以在电开关1上从恒压源5取得所述电源，并在开关处于断开k，并将来自交流电流源E的交流电流加在负载L上时，经整流器4，从变流器3的次级电路W2取得所说的电源。

按照本发明，将变流器3布置成可以操作，以使变流器3在电网电流的每半个周期都处在饱和状态。

在一种常规的理想变流器中，初级电路和次级电路的电流比反比于初级电路及次级电路的绕组匝数比。实践中，磁化电流的大小产生电流比的差。为了保持在控制器中初级电路和次级电路的这个比值尽可能地准确，必须使磁化电流引起的畸变减至最小，也就是必须保持磁化电流的总量尽可能地小。磁感应越大，磁化电流越小。磁感应的总量受绕组匝数、变压器的尺寸和所用磁芯材料的影响。一般情况下，将传统的变流器的磁化电流设计成小于待测的电流值的3％。

将常规变流器的次级电压U的值设计成，使得保留低于阈值电压Uk＝1伏的这个次级电压U的值，因为高的次级电压会增加磁化电流i的值：

U_k＝L×(di/dt)

di＝(dt×U)/L，其中

L＝变流器的电感。

出于这个理由，要将变流器的次级绕组连接到低阻抗的负载电阻器上，借助所述电阻器，将次级电压U的值限制在一个期望的电压值上。

在本发明的电源中，将变流器3布置成饱和的，如上面所述的那样。在这种情况下，次级电压U不受限制，就像常规的变流器中一样，并且绕组层数安排得很低。所说的这两个条件都把磁化电流的值提高到很高，以致于使变流器饱和。

对于变流器3所选的磁芯材料是一种具有高导磁率P的材料。其中，这些材料有纯铁(P＝180,000)、铁和镍的某些合金，比如78坡莫合金(P＝100,000)。适于用作磁芯材料并且可以在市场上得到的材料之一是NANOPERM^TM。这种材料的饱和通量密度是1.2T，最大导磁率是80,000。变流器3的初级绕组W1的线匝数安排成小于或等于10。此外，将初级绕组线的横截面积安排成至少0.75mm²，以便使变流器能够处理大电流，如10A。然后，将变流器3的次级绕组W2的匝数安排成大于或等于200。通过一个螺旋管环实现变流器3的磁芯也是有益的。

作为说明性的实例，以下计算次级绕组W2的正弦次级电压U的最大值，这个最大值不会使变流器3饱和。

变流器的最大通量交连是：

λ_max＝N×A_c×B_s

其中

N＝绕组的匝数 300

A_c＝螺旋管环的横截面积 0.24×10^-6m²

B_s＝螺旋管环的饱和通量密度 1.2T

λ_max≈8.644×10^-3Vs

另一方面，也可以由正弦次级电压的积分计算这个通量交连：

0？^π/ωU_max sinωt dt＝2×U_max/ω

U_max＝次级电压的峰值

ω＝角频率2πf

现在，对于通量交连获得的值应该是λ_max，即

2×U_max/ω＝λ_max

U_max＝λ_maxπf＝8.64×10^-3Vs×3.14×50Hz≈1.36V

从下面将要讨论的图4A和4B显然可以看出，对于变流器3的最小负载，次级电压的峰值至少为9V，这明显高于对于正弦次级电压的上述所得最大计算值1.36V。因此，对于这个给定的初始值来说，变流器3是饱和的。

在图2中表示的是本发明的电开关1的另一种电源结构。在这种情况下，作为适用的开关元件，电开关1包括一个继电器开关11，它是一个双稳的继电器开关。只在双稳的继电器开关的模式从接通到不接通、或者反之从不接通到接通发生变化时，这种双稳的继电器开关才需要电源。这样，从功耗的观点出发，它是一种经济型的开关元件。在这个实施例中，变流器3的次级绕组W2包括串联连接的两个绕组W2a、W2b。整流器最好是全波整流器，整流器的数目是两个：4a、4b。第一整流器4a的输入端只连接在第一绕组W2a，而第二整流器4b的输入端要连接到两个第二绕组W2a、W2b上。恒压源5包括两个电容器C1、C2，第一电容器C1连接到第一整流器4a的输出端，第二电容器C2连接到第二整流器4b的输出端。

交流电流源E，如单相的交流电流源，通过电开关的继电器开关11加到负载上，并经负载流到交流电流源的零点，从而可以形成一个电路，这个电路借助于继电器开关可以断开和对应地接通。当电开关的继电器开关11接通时，也即它是不导通的，它代表的是一个高的阻抗。现在，借助流过负载L的小电流，可以产生电开关元件在功能上所需要的必要的电功率。为此目的，交流电压源5包括一个降压电路51，降压电路51连接到继电器开关11上，并且连接到变流器3的初级绕组W1上。在降压电路51中，主电源电压E变换成合适的低的功能电压。现在，电容器C1和C2通过所说的功能电压充电。从第一电容器C1向电开关的控制单元2供电。在电容器C2中，只充电改变继电器开关11的模式所需的能量。当继电器开关11处在稳定模式的时候，电容器C2只由它自已的极低的漏电流充电。

从电开关的控制单元2发送控制命令，用以通过适宜的控制脉冲，将继电器开关11切换成接通，即切换成导通模式。控制单元2比如又由一个外部传感器(例如PIR)或者由一个定时器进行控制。在导通模式，继电器开关11具有低阻抗。当继电器开关11接通时，负载电流开始前进，穿过继电器开关11，在电开关上的主电压下降到接近零。电容器C2的电压下降到比以前低的电平，因为继电器开关11消耗了控制功率。电容器C1的电压开始下降，因为控制单元2一直在给它充电。与负载电流开始穿过继电器开关同时，变流器3开始工作。由于变流器3的次级绕组W2a和W2b是串联连接的，所以，将电容器C2的电压设置成与从次级绕组获得的电压之和(扣除全波整流器4b的电压损耗)基本上相同的电平，并且，相应地，将电容器C1的电压设置成从第一次级绕组W2获得的电压(扣除全波整流器4a的电压损耗)的电平。在这个时间期间内，实现电压平衡。这里，电容器C2的漏电流等于从变流器3获得的充电电流。现在，电容器C2的电压依然足够高，能够使电开关的继电器开关11断开。电容器C1的电压的电平足以维持电开关进行操作。

从控制单元2再发送一个控制命令，以便通过一个适宜的控制脉冲切断继电器开关11。当接通继电器开关11时，以与上面所述类似的方式从外部控制所述控制单元2。现在切断了负载电流的通路。主电压再一次在电开关上变为有效的。电容器C2的电压电平可能略有降低，但是，电容器立刻开始通过降压电路51充电。通过以类似的方式充电，使电容器C1的电压电平得以被维持。

图3表示本发明的电开关1的第三电源结构。在这种情况下，作为适用的开关元件，电开关包括一个继电器开关11，具体来说，是一个双稳的继电器开关，并包括与之并联的双向半导体开关12，本实施例中为一双向可控硅。至于其余的部分，图3的电开关和它的电源对应于图2的电开关和它的电源。在继电器开关11的触点断开和接通时，半导体开关12被布置成是接通的。这样，就可以防止继电器开关11的触点形成尖峰信号。借助于半导体开关12，还可以实现所谓零点开关。这就意味着，在主电压的零点，负载的电源总是在接通和停止。这种结构的优点是，通过电开关可能切换和控制各类负载—电阻性的、电容性的和电感性的。

在原理方面，图3所示的电开关和它的电源按与图2实施例中的上述方式相同的方式工作，这里，我们参照上面给出的功能描述。图3的电开关被表示为电容器C1、C2的连接电路以及降压电路51几个优选实施例的一种举例。控制单元2还被表示为两个电路单元：适宜的控制单元2a和开关部件11、12的电源单元2b。本实施例中，控制单元还由从无源红外传感器PIR得到的控制信号进行控制。

降压电路51包括第三电容器C3、电阻器R1和齐纳二极管Z1。第一和第二电容器C1、C2的连接电路分别包含第一和第二二极管D1、D2。电容器C1、C2连接到对应的整流器4a、4b的输出端。二极管D1、D2按相反的方向连接，阴极端连接到电容器C1、C2的电压端。二极管D1、D2的阳极端相互连接，并且还连接到齐纳二极管Z1的阴极端，齐纳二极管Z1经过所提供的电阻器和第三电容器C3连接在负载L和开关11之间。齐纳二极管Z1的阳极端连接到交流电压源，即连接到相位前移端。第一电容器C1的电压端连接到控制单元2，具体来说，连接到正确的控制单元2a，从而可以提供它的电源。第二电容器C2的电压端还连接到控制单元2，具体来说，连接到电源单元2b。

当电开关的继电器开关11接通时，借助负载L和降压电路51的电容器C3、电阻器R1和齐纳二极管Z1产生控制单元2的电源。现在，电容器C1、C2充电到通过齐纳二极管Z1限制的电压电位(扣除二极管D1、D2的阈值电压)。

当从电开关1的控制单元给出一个控制命令以使继电器开关11接通时，控制单元2首先向半导体开关12，并且稍后(约10毫秒以后)向继电器开关11发送控制脉冲(持续时间约为40毫秒)。现在，负载电流开始通过开关11、12。

当从电开关1的控制单元给出控制命令，以使继电器开关11断开时，控制单元2向半导体开关12发送控制脉冲(持续时间约为40毫秒)，并且稍后(约10毫秒以后)使继电器开关11断开。负载电流的通路没有中断，主电位再一次在电开关1上为有效的。电容器C2的充电是通过降压电路51的电容器3和电阻器R1开始的，直到齐纳二极管Z1限制电压的升高时为止。电容器C1的电压升高到相同的电位。

变流器3初级绕组中的线匝数约为10，或者甚至更小些。第一和第二次级绕组W2a、W2b中线匝数约为200，最好在200-400的范围。

图4A表示的是图3电开关的变流器3的次级电压脉冲，它是通过示波器测到的，所用负载电L是25瓦白炽灯。第一个次级电压U1是在第一次级绕组W2a上测到的。第二个次级电压U2是在两个次级绕组W2a和W2b上测到的。根据测量，次级电压U1、U2的饱和峰值最大电压值分别是9V和14V。图4B表示当所用负载为100瓦白炽灯时对应的次级电压U1、U2。对于较大的负载电流，次级电压U1、U2的饱和峰KP的持续时间缩短，但对应的电压电平升高。现在，按照测量结果，次级电压U1、U2的饱和峰KP的最大电压值分别是18V、30V。

按照本发明的一种最佳实施例，电开关1及其电源结构安装在一个壁盒内，特别是安装在具有有限电开关元件空间的凹凸榫式安装的壁盒内。电开关1的变流器3设置在外径为20mm的螺旋管环上。所述螺旋管环所用的材料是NANOPERM^TM材料(厂商：MAGNETEC GmbH)。现在，给出一个变流器3的绕组匝数以及所用导线的表格：

W1： 6圈 0.75mm²绝缘线

W2a： 300圈 Ф0.18mm铜

W2b： 200圈 Ф0.18mm铜

根据所进行的测试可知，在期望的负载电流为100mA-10A条件下，所述电开关可以无故障地工作。

本发明不只限于上述优选实施例，在由权利要求书限定本发明的构思的范围内许多改型都是可能的。

Claims

1.一种用于实现对电开关(1)提供电源的方法，其中，所述开关布置在交流电流源(E)，优选为交流电流电网与负载(L)之间的电流路径(J)中，以便中断和允许接通电源，还将电开关布置成与变流器(3)的初级绕组(W1)串联，当开关处于接通(a)时，在开关上取出开关的控制单元(2)所需以及可能开关本身所需的功率，并在开关断开和向负载(L)提供功率时，通过整流器(4)从变流器的次级绕组(W2)取出所述功率，其特征在于：将变流器(3)布置成可以工作使得在电网电流的每半个周期变流器是饱和的，并整流所述变流器的次级电路的次级电压(W2、W2a、W2b)的饱和峰值(KP)，以便获得当开关(1)断开(k)时的直流电源。

2.一种用于电开关(1)的电源结构，所述开关安排在交流电流源(E)，优选为交流电流电网与负载(L)之间的电流路径(J)中，以便中断和允许接通电源，还将电开关安排成与变流器(3)的初级绕组(W1)串联，当开关处于接通(a)并且中断加给负载的电源时，在开关上取出开关的控制单元(2)所需以及可能开关本身所需的功率，并在开关断开和向负载(L)提供功率时，通过整流器(4)从变流器的次级绕组(W2)取出所述功率其特征在于：将变流器(3)布置成可以工作使得在电网电流的每半个周期变流器是饱和的，并整流所述变流器的次级电路的次级电压(W2、W2a、W2b)的饱和峰值(KP)，以便获得当开关(1)断开(k)时的直流电源。

3.根据权利要求2所述的用于电开关的电源结构，其特征在于，所述变流器(3)的磁芯材料是具有高导磁率的材料。

4.根据权利要求3所述的用于电开关的电源结构，其特征在于，所述变流器(3)的磁芯材料是NANOPERM^TM。

5.根据权利要求3或4所述的用于电开关的电源结构，其特征在于，所述变流器(3)的初级绕组(W1)线匝数等于或小于10。

6.根据权利要求5所述的用于电开关的电源结构，其特征在于，所述变流器的初级绕组(W1)导线的横截面积至少是0.75mm²。

7.根据前述权利要求中任一项所述的用于开关的电源结构，其特征在于，所述变流器(3)的磁芯是借助螺旋管环实现的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的用于开关的电源结构，其特征在于，所述变流器(3)的次级绕组(W2、W2a、W2b)的线匝数大于或等于200。

9.根据前述权利要求中任一项所述的用于开关的电源结构，其特征在于，所述变流器(3)包括两个次级绕组(W2a、W2b)，通过它们一方面将电源布置到电开关(1)的控制单元(2)上，另一方面布置到开关的本身(11、12)。