CN205564657U - 消除直流器件触头电弧的装置和具有该装置的直流断路器、直流接触器、直流插座 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种消除直流器件触头电弧的装置,包括动触头Mc和固定触头CC,还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R,固定触头CC与半导体元件的输入极相连接,半导体元件的基极与电容C相连接,充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间,半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。本实用新型通过增加滞后分断触头J,由它来启动半导体元件工作,并在滞后分断过程中充分利用半导体元件的关断性能,安全可靠地分断直流电,从而实现在分断过程中消除电弧之目的。该装置及其方法适用于高压或低压的直流断路器、直流接触器、直流插座,而且具有较强实用性。
Description
技术领域
本实用新型属于直流电路中电力器件触头灭弧技术领域,尤其涉及一种消除直流器件触头电弧的装置。
背景技术
现有的触头型直流断路器、直流接触器都会产生一定的电弧,既影响其使用寿命又妨碍安全,特别是直流电压较高的情况下,电弧问题更为突出,灭弧措施十分必要。混合型直流断路器因线路复杂,实际使用时有一定的难度。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种原理简单、科学有效、安全可靠的消除直流器件触头电弧的装置。
为解决上述技术问题,本实用新型采用以下技术方案:消除直流器件触头电弧的装置,包括动触头Mc和固定触头CC,还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R,固定触头CC与半导体元件的输入极相连接,半导体元件的基极与电容C相连接,充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间,半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。
半导体元件为三极管,也可为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或集成门极换流晶闸管(IGCT)。
具有上述消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器,动触头Mc与滞后分断触头J通过滑动面相互连接。
具有上述消除直流器件触头电弧的装置的直流接触器,上下两组动触头的行程不一样,上下两组固定触头一端相互连接。
具有上述消除直流器件触头电弧的装置的直流插座,具有a、b、e三个固定触头,其中e与直流电源V-连接,固定触头b、e位置一致,a固定触头低于低于b固定触头。
针对目前解决直流器件触头电弧缺乏有效措施的问题,发明人设计制作了一种消除直流器件触头电弧的装置,包括动触头Mc和固定触头CC,还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R,固定触头CC与半导体元件的输入极相连接,半导体元件的基极与电容C相连接,充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间,半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。本实用新型通过增加滞后分断触头J,由它来启动半导体 元件工作,并在滞后分断过程中充分利用半导体元件的关断性能,安全可靠地分断直流电,从而实现在分断过程中消除电弧之目的。该装置及其方法适用于高压或低压的直流断路器、直流接触器、直流插座,而且具有较强实用性。首先,在正常使用时,较脆弱半导体元件的输入输出极被短路,不会产生影响元件使用的热量,而且工作时间也很短;其次,由于增加的滞后分断触头,巧妙地启动并瞬时改变了半导体元件的工作状态;第三,滞后分断触头也使充放电阻R具有两个工作状态,正常工作时,充放电阻R给电容充电,断开时,充放电阻R给电容放电,简化了电路。
附图说明
图1动触头与固定触头及滞后分断触头均接触结构及状态示意图,图中:21转轴,22软连接。
图2动触头与固定触头及滞后分断触头均接触电路原理图。
图3是动触头与固定触头分断与滞后分断触头接触结构及状态示意图。
图4是动触头与固定触头分断与滞后分断触头接触电路原理图。
图5是直流断路器分断时结构及状态示意图。
图6是直流断路器分断时电路原理图。
图7是分断时动触头对V-的电压变化图,图中:51动触头与固定触头分断时的电压,52动触头与固定触头分断后滞后分断触头的电压变化曲线,53动触头与滞后分断触头分断时间。
图8是目前常用断路器示意图。
图9是带滞后触头断路器示意图。
图10是具有消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器原理图,图中:71负载。
图11是普通插头插座示意图,图中:虚线框内为插座,1为插头1脚,2为插头2脚,81负载。
图12是直流插头插座示意图,图中:虚线框内为插座,1为插头1脚,2为插头2脚,81负载,82灭弧电路。
图13具有消除直流器件触头电弧的装置插座原理图,图中:1插头1脚,2插头2脚,91负载。
图14是普通接触器吸合状态示意图,图中:100线圈,101上动触头,102下动触头。
图15是带滞后分断触头接触器未完全吸合状态示意图,图中:100线圈,101上动触头,102下动触头。
图16是具有消除直流器件触头电弧的装置直流接触器原理图,图中:1第一组触头,2第二组触头,110线圈,111负载。
图17是IGBT替换三极管的原理图。
具体实施方式
一、基本原理(以半导体元件是三极管为例)
1.电路结构
如图3所示,本实用新型消除直流器件触头电弧的装置包括动触头Mc和固定触头CC,还包括滞后分断触头J、三极管Q、电容C和充放电阻R,固定触头CC与三极管Q的集电极相连接,三极管Q的基极与电容C相连接,充放电阻R并联在三极管Q的发射极和基极之间,三极管Q的发射极与滞后分断触头J相连接。与常规触头分断相比,该装置增加了三极管Q、电容C、充放电阻R及滞后分断触头J,减去了灭弧罩。
2.方法过程
使用上述装置消除直流器件触头电弧的方法,在一路分断点上,具有动触头Mc、固定触头CC和滞后分断触头J共三个触头,分断时有两个过程:首先是动触头Mc与固定触头CC分断,然后是动触头Mc与滞后分断触头J分断;当动触头Mc与固定触头CC接触时(开关处于导通状态),半导体元件的输入输出极被短路,半导体元件不会产生影响元件使用的热量。当动触头Mc与固定触头CC分离时,但动触头Mc与滞后分断触头J仍接触时,充放电阻R由充电状态瞬间变为放电状态,半导体元件被启动并迅速由饱和导通变为截止。
如图1至7所示,具体过程如下:
<1>当Mc与J、CC均连接时(图1),三极管Q的集电极与发射极短路(图2),电压V+通过电阻R向电容C充电。
<2>动触头Mc与固定触头CC分断,但与滞后分断触头J仍接触时(图3),三极管Q的集电极与发射极短路点断开(图4),三极管Q的基极由于电容C的高电位而使三极管处于饱和导通状态,CC与J之间电位差是三极管的饱和压降(小于1伏),故Mc从CC处分断不会有大的电弧。
<3>动触头Mc与固定触头CC分断时,但与滞后分断触头J仍接触时,电阻R也不再给电容充电,而成为放电电阻,使三极管Q基极电位迅速下降,三极管Q也由饱和导通迅速变为截止,并使J点电位迅速下降至接近V-;此时动触头Mc离开滞后分断触头J不会产生电弧,从而实现了动触头Mc与固定触头CC的无电弧分断(图5和图6)。
<4>图7中0到t1是三极管Q饱和导通维持时间,0到t2是动触头Mc从固定触头CC分断 加上动触头Mc从滞后分断触头J分断的时间;通过选择电阻R和电容C的大小即可改变三极管Q导通维持时间及导通变为截止的时间。
以下各例均未给出各元件Q、R、C的具体参数,主要因0到t2时间因直流断路器、直流接触器及直流插座而不同(图7)。
二、应用实例
1、直流断路器
图8是目前常用断路器示意图。图9显示的是具有消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器。可见,两者动触头臂不同,本实用新型直流断路器动触头Mc与滞后分断触头J通过滑动面相互连接,既能与固定触头CC良好接触,又能与滞后分断触头J接触良好。图10是具有消除直流器件触头电弧的装置的直流断路器原理图。图中Y是压敏电阻,D是续流二极管,F是熔丝,V+与V-作为输入端;V+与三极管Q的集电极及固定触头CC相连接,三极管Q的发射极与滞后分断触头J相连接,动触头Mc与V-经熔丝的另一端作为输出端与负载相连接。其中,Y的作用是吸收直流电源中尖峰和过压成分,D是防止负载产生的感应电动势损坏元件,F为防止线路短路时起保护作用,短路时由于电流大于三极管能承受的电流,故由直流熔丝保护分断。
正常分断时,动触头Mc离开固定触头CC的那一刻,但与滞后分断触头J仍接触时,三极管Q的基极由于电容C的高电位而使三极管Q处于饱和导通状态,CC与J之间电位差是三极管的饱和压降,小于1伏,故Mc从CC处分断只有小的电火花。同时,电阻R也不再给电容充电,而成为放电电阻,使三极管Q基极电位迅速下降,三极管Q也由饱和导通迅速变为截止,并使J点电位迅速下降,从而使动触头Mc离开滞后分断触头J时也不会产生电弧。
2、直流插座
图11是普通插头插座示意图。图12是具有消除直流器件触头电弧的装置(灭弧电路)的直流插座示意图,相比可见插头没有区别,可以通用。而本实用新型的直流插座多了一固定触头及灭弧电路,该插座直流电源V+上具有a、b两个固定触头,a起到固定触头CC的作用,b起到滞后分断触头J的作用,插头的某一脚充当了动触头Mc。其中,要求b、e固定触头位置高度一样,这是为了防止V+上插头与b还没断开时V-上的插头先断开(即实用时插头上脚1和脚2应同时离开b、e点,否则三极管Q还没截止时引起电弧)。
安装使用时,把V+与三极管Q的集电极及插座上a相连接,三极管Q的发射极与插座上b相连接,V-与插座上e相连接。如图13所示,插入时插头1脚经过插座b插入插座a, 同时插头2脚插入插座e,插入时不会拉弧;拔出时插头1脚与插座a点分离,但与插座b点仍接通,三极管是导通状态,只有很小的电火花;同时,三极管迅速由导通变为截止,当插头1脚与插座b分离时,也无电弧;这时,插头2脚也与插座e分离,实现了无弧带电拔插。
3、直流接触器
图14是普通接触器示意图,两组触头同时接触,同时分断。图15是两组动触头的行程不一样的直流接触器示意图。
图16是具有消除直流器件触头电弧的装置直流接触器原理图。虚线框内是接触器的线圈及1、2两组触头。直流接触器1组的动触头行程长于2组的动触头行程,两组动触头的行程不一致,使两组动触头与固定触头接触时间不同,分断的时间也不同。两组动触头组成本发明中的动触头Mc,两组固定触头中互相连接的触头组成本发明中的滞后分断触头J,先分断的一组没有互连的固定触头作为本发明中的固定触头CC。直流接触器吸合时1组与2组触头均接通,分断时,1组首先分断,三极管Q的基极由于电容C的高电位而使三极管处于饱和导通状态,2组与1组之间电位差是三极管的饱和压降,小于1伏,故分断时只有小的电火花;同时,电阻R也不再给电容充电,而成为放电电阻,使三极管Q基极电位迅速下降,三极管Q也由饱和导通迅速变为截止,并使2组的电位迅速下降,使2组分断时也不会产生电弧,从而消除了电弧。使用时,把V+与三极管Q的集电极及直流接触器1组的固定触头一端相连接,三极管Q的发射极与直流接触器1组的固定触头另一端及2组的固定触头一端相连接,2组固定触头另一端与V-作为输出端与负载相连接。
4、IGBT代替三极管
上述各例中三极管Q可替换为IGBT或IGCT,原理一样,但电路稍有变动。如图17所示,由于半导体器件IGBT具有栅极输入阻抗高和栅极易被击穿等特点,所以沿用原来电路将无法保证IGBT可靠工作及关断,因此增加了D1、D2两个二极管。
当电阻R放电时,D1的作用是降低IGBT的GE极电位;D2起保护作用,防止栅极被击穿。当Mc与J、CC均连接时,IGBT的集电极与发射极短路,电压V+通过电阻R向电容C充电;分断时,动触头Mc离开固定触头CC的那一刻,但与滞后分断触头J仍接触时,IGBT的栅极由于电容C的高电位而使IGBT处于饱和导通状态,CC与J之间电位差是IGBT的饱和压降加D1的压降,故Mc从CC处分断不会有大的电弧;同时,电阻R也不再给电容充电,而成为放电电阻,使IGBT的栅极电位迅速下降,IGBT也由饱和导通迅速变为截止,并使J点电位迅速下降,从而使动触头Mc离开滞后分断触头J时也不会产生电弧。
Claims (5)
1.一种消除直流器件触头电弧的装置,包括动触头Mc和固定触头CC,其特征在于还包括滞后分断触头J、半导体元件、电容C和充放电阻R,固定触头CC与半导体元件的输入极相连接,半导体元件的基极与电容C相连接,充放电阻R并联在半导体元件的输出极和基极之间,半导体元件的输出极与滞后分断触头J相连接。
2.根据权利要求1所述的消除直流器件触头电弧的装置,其特征在于:所述半导体元件为三极管、IGBT或IGCT。
3.一种直流断路器,其特征在于具有权利要求1所述消除直流器件触头电弧的装置,且动触头Mc与滞后分断触头J通过滑动面相互连接。
4.一种直流接触器,其特征在于具有权利要求1所述消除直流器件触头电弧的装置,且上下两组动触头的行程不一样,上下两组固定触头一端相互连接。
5.一种直流插座,其特征在于具有权利要求1所述消除直流器件触头电弧的装置,且具有a、b、e三个固定触头,其中e与直流电源V-连接;固定触头b、e位置高度一致,a固定触头低于b固定触头。
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CN105304413A (zh) * | 2015-11-06 | 2016-02-03 | 沈红 | 消除直流器件触头电弧的方法及其装置和应用 |
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