CN2266190Y - 开关单一相同步开闭自动控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于交流开关电器的自动控制装置。所说的装置主要包括开关单一相同步开断自动控制电路，开关单一相同步闭合自动控制电路。其作用是以自动定相的方式，控制被控开关的三相主触头，在其中一相主触头同三相电源单一相电流零相位点，电压蜂值点，同步的条件下开断或闭合。有效地减弱被控开关开闭时的电弧，从而延长触头的使用寿命。

Description

开关单一相同步开闭自动控制装置

本实用新型涉及一种用于交流开关电器开闭过程灭弧的自动控制装置。

交流开关电器的触头在开断或闭合负载时，电弧放电在触头间产生，触头的电磨损非常严重。虽然  在开关电器中已采用了各种方法加强灭弧室的灭弧能力及触头的截流能力，但现有的灭弧措施，及GK86 1 04487公开的自环流反馈自熄式灭弧交流接触器中的环式触头，GG87 2 03775公开的灭弧装置，CN2038278U公开的谐振灭弧开关，均为被动的灭弧方式。电弧仍然是触头磨损的主要原因，仍是提高触头开闭能力的障碍。

本实用新型的目的就是提供一种自动控制装置，它可以减弱交流开关电器开闭时产生的电弧。如图1所示。

本实用新型的目是这样实现的：

图1是开关单一相同步开闭自动控制装置原理附图。

该自动控制装置由开关单一相同步开断电路和开关单一相同步闭合电路组成。

开关单一相同步开断电路包括电流相位采样比较单元①、启动开关S1、启动控制单元②、脉冲展宽单元③、电平调整单元④、开断光耦合双向过零开关驱动单元⑤、开断控制双向可控硅V5。

开关单一相同步开断电路的电流相位采样单元，通过电流相位采样互感器T_A与三相电源的任一相连接，并将所采样的通过相位比较后，表征被采样相电流零相位点的定相脉冲，始终送入启动控制单元。当被控负荷设备要求从电网中脱开时，按下启动开关S1，启动控制单元将电流相位采样比较单元送入的高电平定相脉冲，同启动开关S1送入高电平启动脉冲一起以“与”逻辑组合，输出一个仍然表征被采样相电流零相位点的高电平同步开断控制脉冲，经脉冲展宽单元展宽，使同步开断控制脉冲的宽度，与被控开关的开断响应时间t_r一致。展宽后的同步开断控制脉冲经电平调整单元调整为低电平脉冲，送入开断光耦合双向过零开关驱动单元，驱动开断光耦双向过零开关D6，由常态的导通转为瞬时关断，受开断光耦合双向过零开关D6控制，常态为导通的开断控制双向可控硅V5同时瞬时关断。因被开关的电磁驱动控制电路同开断控制双向可空硅V5串联，故被控开关的三相主触头，在其中一相主触头与被采样相电流的零相位点，同步的条件下开断。

开关单一相同步闭合电路包括电压相位采样比较单元⑥、启动开关S2、启动控制单元⑦、脉冲展宽单元⑧、闭合光耦合双向过零开关驱动单元⑨、闭合控制双向可控硅V4。

开关单一相同步闭合电路的电压相位采样比较单元，通过电压相位采样变压器T_V与三相电源的任一相连接，并将所采样的通过相位比较后，表征被采样相电压峰值点的定相脉冲，始终送入启动控制单元。当被控负荷设备要求进入电网时，按下启动开关S2，启动控制单元将电压相位采样比较单元送入的高电平定相脉冲，同启动开关S2送入的高电平启动脉冲一起以“与”逻辑组合，输出一个仍然表征被采样相电压峰值点的高电平同步闭合控制脉冲。经展宽单元展宽，使同步闭合控制脉冲的宽度，与被控开关的闭合响应时间t_p一致。展宽后的同步闭合控制脉冲，送入闭合光耦合双向过零开关驱动单元，驱动闭合光耦合双向过零开关D6，由常态的关断转为瞬时导通，受闭合光耦合双向过零开关D6’控制，常态为关断的闭合控制双向可控硅V4同时瞬时导通，因被控开关的电磁驱动控制电路同闭合控制双向可控硅V4串联，故被控开关的三相主触头，在其中一相主触头与被采样相电压峰值点，同步的条件下闭合。

开断控制双向可控硅V5与被控开关的常开辅助触头串联后，同闭合控制双向可控硅V4组成的并联电路，与被控开关电磁驱动线圈串联。V5与被控开关的常开辅助触头串联，构成对被控开关处于同步闭合状态的自锁，因此V5的常态是导通状态。当闭合控制双向可控硅V4，在同步闭合控制脉冲的驱动下，由常态的关断瞬时导通对电磁驱动线圈送电，被控开关进行闭合动作，使与V5串联的常开辅助触头闭合。这样常开辅助触头与常态为导通的V5构成了对电磁驱动线圈通电的自锁，维持住被控开关的闭合状态。同步闭合状态的自锁形成以后，V4就由瞬时导通恢复常态的关断，等待下一次的闭合控制。如被控开关需开断，只要使开断控制双向可控硅V5由常态的导通转为瞬时关断，则电磁线圈失电，常开辅助触头由闭合转为常开，V5与常开辅助触头构成的自锁解除，被控开关开断，V5恢复为常态的导通状态，等待下一次开断控制。

与被控开关电磁驱动线圈串联的开关K1、K2，为装置的手动/自动转换开关。K2闭合，K1断开，装置进入单一相同步开断自动控制或单一相同步闭合自动控制状态。若K2断开，K1闭合，则被控开关由原有的常规起、停、保控制电路完成随机开闭。

V_ca、V_cb为装置的直流工作电源。

除电流相位采样互感器T_A，电压相位采样变压器T_V，置于被控开关原安装机架上外。其他元件则分两大部分，安装在两块印刷电路板(1)、(2)上，置于壳体(5)内。印刷板(1)为开关单一相同步开断自动控制/开关单一相同步闭合自动控制电路板；印刷板(2)为开断控制双向可控硅V5，闭合控制双向可控硅V4及装置直流工作电源电路板。壳体(5)面板上装有触摸启动开关(6)、(8)、手动/自动转换开关(7)、装置工作电源开关(9)。(4)为置于壳体(5)后盖上的接线插座，(3)为置于壳体(5)内的装置工作电源变压器，见图2。

本装置独立的存在于被控开关电器的原控制电路中，被控开关电器原控制电路的控制特性，不因装置的植入而发生改变。

本自动控制装置通过使被控开关三相主触头的其中任一相主触头，同三相电源单一相电流零相位点、电压峰值点同步开、闭，降低了三相主触头的同步开闭相及非同步开闭相的开闭系数，从而减小了主触头开闭过程的电弧能量，降低了主触头的电磨损，提高了触头的使用寿命，同时也降低了开关开闭过程对电网的冲击和能耗。

下面结合图3及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

图3是开关单一相同步开闭自动控制装置实施例原理图。

开关单一相同步开断电路，是通过电流相位采样互感器T_A，与三相电源的被采样相连接的，输出端是通过开断控制双向可控硅V5，与被控开关原有的电磁驱动控制电路连接的。

电流相位采样比较单元，由电流相位采样互感器T_A，电阻R1、R2、或非门电路D1构成。电流零相位点采样信号，由T_A取自与T_A连接的被采样相，被采样相可以是三相电源的任一相。接在T_A次级起相位比较作用的，或非门电路D1两输入端之间的电阻R1、R2，为基准定相电阻，它们在D1两输入端上产生的电压降，即为D1进行相位比较的基准零电压轴。当D1的两个输入端上都为表征被采相电流零相位点的低电平，并与基准零电压轴交叉时，则D1以“或非”逻辑，输出一个对应被采样相电流零相位点的定相高电平脉冲，并始终送至启动控制单元的与门电路D2的A输入端。

启动控制单元，由电阻R4、R5及与门电路D2构成。接在D2A、B两输入端上的电阻R4、R5，作用是使D2的A、B两输入端，在无电流定相高电平脉冲，无触摸启动开关送入的高电平启动脉冲时，A、B两输入端均为低电平，并经后继诸单元的调整和处理，使开断控制双向可控硅V5的常态为导通状态。

接在D2B输入端上的触摸式启动开关，由电阻R9、三级管V6及触摸点ST1构成。用裸手指直接触摸ST1，三级管V6导通，直流工作电源Vca通过V6，加在D2的B输入端，使B输入端的电平由低电平变为近于Vca的高电平。由于D2的A输入端上一直加有电流定相高电平脉冲，所以D2在A、B两输入端上高电平的作用下，进入“与”逻辑状态，输出一个同步开断控制脉冲。电阻R9为V6的偏置电阻，用于防止金属物直接触及触摸点ST1时，使V6过载而烧毁。

采用触摸式启动开关，是为了消除动触式开关接触时的振颤干扰，使同步开断电路可靠启动。

脉冲展宽单元，由两极管V1、电阻R3、电容器C1所构成的电平延时网络及与门电路D3组成。由启动控制单元送入的同步开断控制脉冲，在脉冲展宽单元分为两路，一路信号直达与门电路D3，另一路则通过由V1、R3、C1构成的延时网络，到达与门电路D3。这样由于延时网络的电平延迟作用，D3输出的脉冲就是一个被展宽的同步开断控制脉冲。调节电阻R3的值，改变了C1的充电时间，也即改变了同步开断控制脉冲的宽度。两极管V1起电平隔离作用，防止C1上的高电平电压通过R3迅速放电，影响D3进入“与”逻辑状态。

电平调整单元，由电阻R7、R8、R6及反相电路D4构成D3输出的展宽后的高电平同步开断控制脉冲，由D4转换为低电平的同步开断控制脉冲。R7的作用是使D4的输入端在无高电平同步开断控制脉冲时为低电平。电阻R6、R8为D4的oc输出端的直流偏置电阻，使D4的oc输出端为正常的直流偏置状态。

开断光耦合双向过零开关驱动单元，由反相驱动电路D5、开断双向过零开关D6构成。同步开断电路未启动时，只要电路有直流工作电源V_ca加入，D5的输出端就是常态的低电平，开断光耦合双向过零开关D6就一直是导通的，从而保证与D6连接的开断控制双向可控硅V5的常态为导通状态。

当D4的输入端，出现高电平同步开断控制脉冲时，D4将此脉冲转换为低电平脉冲，送入D5驱动D6由常态的导通转为瞬时关断，V5也随之瞬时关断，被控开关的三相主触头，在其中一相主触头与被采样相电流零相位点同步的条件下开断。开断稳定之后，D5、V5恢复常态。

开关单一相同步闭合电路，通过电压相位采样变压器T_V，与三相电源的被采样相连接，输出端通过闭合控制双向可控硅V4与被控开关的电磁驱动电路连接。

电压相位采样比较单元，由电压相位采样变压器T_V，电容器C2、C3，场效应管V2、V3，电阻R1’、R2’，或非门电路D1’构成。电压峰值点采样信号由T_V取自与T_V初级连接的被采样相，被采样相可以是三相电源的任一相。T_V采样所取得电压峰值点信号经电容器C2、C3，场效应管V2、V3所组成的两个对称的移相电路移相90°后，由D1’进行相位比较。接在移相电路的输出端与D1’两输入端之间的电阻R1’、R2’，其作用是给进行相位比较的或非门电路D1’，提供基准零电压轴。当D1’的两个输入端上都为移相电路送入的，表征被采样相电压峰值点的低电平，并与基准零电压轴交叉时，则D1’以“或非”逻辑，输出一个对应被采样相电压峰值点的高电平定相脉冲，始终送至启动控制单元的与门电路D2’的A输入端。

接在D2’的A、B两输入端上的电阻R4’、R5’，是使D2’的A、B两输入端，在无电压定相高电平脉冲、无触摸启动开关送入的启动高电平脉冲时，均为低电平，并经后继诸单元的调整与处理，使闭合控制双向可控硅V4常态为关断关态。

接在D2’的B输入端上的触摸启式动开关，由电阻R9’、三极管V6’及触点ST2构成。此触摸式启动开关的工作原理及采用触摸方式的目的，同开关单一相同步开断电路的触摸式启动开关。

脉冲展宽单元，由两极管V1’、电阻R3’、电容器C1’，这三个元件构成的电平延时网络，及与门电路D3组成。脉冲展宽的原理以及工作过程，同位于同步开断电路中的脉冲展宽单元。但作用是使同步闭合控制脉冲的宽度，与被控开关的闭合响应时间t_p一致

闭合光耦双向过零开关驱动单元，由反相驱动电路D5’、电阻R7’、闭合光耦合双向过零开关D6’构成。电阻R7’的作用是使D5’的输入端，在无同步闭合控制脉冲时  处于低电平。也就使得D5’在同步闭合电路未启动时，只要有直流工作电源V_ca加入，D5’的输出端就是常态高电平。闭合光耦合双向过零开关也就处于一直关断的状态，从而保证闭合控制双向可控硅V4为常态的关断。当D5’的输入端出现由脉冲展宽单元送入的高电平同步闭合控制脉冲时，D5’的输出端由常态的高电平瞬时转换为低电平，并驱动D6’也瞬时导通，V4也随

之由常态的关断瞬时导通。被控开关的三相主触头，在其中一相主触头与被采样相电压峰值点同步的条件下闭合。闭合稳定后D5’、V4恢复常态。

电路中所有标有GND的线连接在一起构成装置对强电元件控制公共地线。

图4、图5是开关单一相同步开闭自动控制装置电流相位采样比较单元、电压相位采样比较单元的另二个补充实施电路。

图4是补充实施电路一；

图6是补充实施电路二。

两个实施中的电路都是交叉零点检测电路二

实施一电路由电压比较器N1、2，两极管V7、V8，电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15构成：

电阻R10、R11，两极管V7、V8构成电路输出的定相脉冲V_o脉宽调整网络。V7、V8通过

偏置后取得管压降，并由R10、R11对此管压降分压，产生电压比较器N1、2的转折电压，加在比较器N1的的反相输入端2’，与N2同相输入端5’之上，即为电路进行零点比较的基准零电压轴。同时转折电压的大小又决定了Vo的脉宽，因此调整R10或R11的值，都可改变Vo的脉宽。

电阻R12、R13为比较器N1同相输入端3’，比较器N2反相输入端6’的偏置电阻，同时又是两极管V7、V8的偏置电阻。电阻R14、R15为比较器N1，N2的OC输出端的直流偏置电阻，提供OC端的直流通路。

输入的采样信号与基准零电压轴的交叉零点比较，由电压比较器N1、2完成。输入的采样信号由N1的反相输入端2’、N2的同相输入端5’输入比较电路，当与比较电路提供的基准零电压轴交叉时，比较电路的输出Vo，就为表征被采样相电流零相位点或电压峰值点的定相脉冲。

交叉零点比较电路的A’、B’端，与电流采样互感器T_A的A’、B’端连接，构成电流相位采样比较单元。如电路的A’、B’端，与电压采样电路的A’，B’端连接，构成电压相位采样比较单元。比较单元通过电流采样互感器T_A，或电压采样变压器T_V，与三相电源的任一相连接，并采样比较。

实施二电路由电压比较器N1、2，电阻R16、R17、R18、R19、R14、R15构成。

电阻R16 R17构成的分压网络对

分压，在R17上取得比较器N2同相输入端5’的  基准零电压轴。电阻R18、R19构成的分压网络对 分压，在R19上取得比较器N1反相输入端2’的基准零电压轴。这两个基准零电压轴由比较器N1、比较器N2叠加，形成一个N1与N2共有的基准零电压轴。但两个基准零电压轴的时间滞后差，决定了电路输出V_o的脉宽，因此对称的调节R17与R19的值可改变Vo的脉宽。

由电流采样互感器T_A，或电压采样变压器T_V取得的采样信号，由电路的A端送入N1的同相输入端3’、N2的反相输入端6’，进行相位比较。当输入信号的零点与基准零电压轴交叉时，电路的输出Vo就为表征被采样相电流零相位点或电压峰值点的定相脉冲。

将T_A的A’端与电路的A’端连接，构成电流相位采样比较单元；将电压采样电路的A’端与比较电路的A’端连接，构成电压相位采样比较单元。

两个单元电路分别通过T_A或T_V，与三相电源的任一相连接，并取得采样信号。

构成电压相位采样单元的电压采样电路，由电压采样变压器T_V、电容器C2、场效应管V2组成。电容器C2、场效应管V2构成90°移相网络，对T_V采得的电压峰值信号中行90°移相，使之经过比较电路交叉零点比较后，电路的输出Vo表征被采样相电压的峰值点。

电流采样互感器T_A次级回路中的电阻R为T_A次级阻抗匹配电阻，使T_A在最佳负载下输出采样信号。

Claims (7)

1、一种用于交流电器的开关单一相同步开闭自动控制装置，它包括开关单一相同步开断电路和开关单一相同步闭合电路，其特征是开关单一相同步开断电路包括依次串接的电流相位采样比较单元(1)、启动控制单元(2)、脉冲展宽单元(3)、电平调整单元(4)、开断光耦合双向过零开关驱动单元(5)、开断控制双向可控硅V5；开关单一相同步闭合电路包括依次串接的电压相位采样比较单元(6)、启动控制单元(7)、脉冲展宽单元(8)、闭合光耦合双向过零开关驱动单元(9)、闭合控制双向可控硅V4。

2、根据权利要求1所述的开关单一相同步开闭自动控制装置，其特征是电流相位采样比较单元(1)包括电流相位采样互感器T_A、基准定相电阻R1和R2、或非门电路D1；电流相位采样互感器T_A次级和或非门电路D1两个输入端之间，并联接有串联电阻R1和R2，电阻R1和R2的串接中点接电路地。

3、根据权利要求1所述的开关单一相同步开闭自动控制装置，其特征是电压相位采样比较单元(6)包括电压相位采样变压器T_V电容器C2和C3、场效应管V2和V3、基准定相电阻R1’和R2’、或非门电路D1’；电容器C2和C3分别串接在电压相位采样变压器T_V的次级和或非门电路D1’的输入端之间，或非门电路D1’两输入端间并联接有串联电阻R1’和R2’及串接的场效应管V2和V3，场效应管V2和V3的栅极接直流工作电源(V_cb)，场效应管V2和V3的串接点与电阻R1’和R2’的串接点接电路地。

4、根据权利要求1所述的开关单一相同步开闭自动控制装置，其特征是电流相位采样比较单元包括相位比较路。

5、根据权利要求1所述的开关单一相同步开闭自动控制装置，其特征是电压相位采样比较单元包括相位比较电路。

6、根据权利要求4或5所述的开关单一相同步开闭自动控制装置，其特征是相位比较电路包括电压比较器N1、N2，电阻R10、R11、R12、R13、R14、R15，两极管V7、V8；电阻R10串接在电压比较器N1的反相输入端(2’)与N2的同相输入端(5’)的接点及电路的输入端(A’)之间，电阻R11接在电压比较器N1的反相输入端(2’)与电压比较器N2的同相输入端(5’)及电路地端(B’)之间，电阻R12、两极管V7、电阻R13、两极管V8串联后并接在直流工作电源(V⁺ _ca)与(V^- _cb)之间，电阻R12与两极管V7的串接点接电压比较器N1的同相输入端(3’)，  两极管V7与V8的串接点接电路地端(B’)，电阻R13与两级管V8的串接点接电压比较器N2的反相输入端(6’)；电阻R14、R15串联后并接在直流工作电源(V⁺ _ca)与电路地端(B’)之间，电压比较器N1、N2的输出端(1’)、(7’)同接于电阻R14与R15的串接点。

7、根据权利要求4或5所述的开关单一相同步开闭自动控制装置，其特征是相位比较电路包括电压比较器N1、N2，电阻R16、R17、R18、R19、R14、R15；串联电阻R16、R17的串接点接电压比较器N2的同相输入端(5’)，串联电阻R18、R19并接在直流工作电源(V⁺ _ca)与电路地之间，电阻R16、R17的串接点接电压比较器N1的反相输入端(2’)，串联电阻R14、R15并接在直流工作电源(V⁺ _ca)与电路地之间，电阻R14、R15的串接点接电压比较N1、N2的输出端(1’)、(7’)；电压比较器N1的同相输入端(3’)与电压比较器N2的反相输入端(6’)相接为电路的输入端(A’)。

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