專利名稱：二極管消弧交流開關(guān)的制作方法
二極管消弧交流開關(guān)
本發(fā)明涉及交流開關(guān)的電弧抑制，特別是利用半導(dǎo)體元件的特性實(shí)現(xiàn)的開
關(guān)電弧抑制。國(guó)際專利分類號(hào)H01H9/30。
中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)第01111050.3號(hào)提出了類似的交流開關(guān)。其原理如附 圖所示在主開關(guān)上并聯(lián)一個(gè)由二極管和輔助開關(guān)串聯(lián)組成的消弧支路，用一 個(gè)控制電路來操作這兩個(gè)開關(guān)。該申請(qǐng)要求主開關(guān)的間隙大于輔助開關(guān)的間膽， 在同一個(gè)電磁線圈的驅(qū)動(dòng)下，輔助開關(guān)將先于主開關(guān)閉合,遲于主開關(guān)分?jǐn)唷?br> 該申請(qǐng)?zhí)岢龅目刂齐娐窙]有對(duì)開關(guān)的接通過程進(jìn)行控制，只是要求在斷開 過程中使主開關(guān)在二極管正向偏置期間完成分?jǐn)?，利用輔助開關(guān)晚分?jǐn)鄟肀３?二極管的分流作用，保證主開關(guān)無弧斷開。等到二極管反偏置的半周再分?jǐn)噍o 助開關(guān)，期望輔助開關(guān)也無弧斷開。
該申請(qǐng)利用電流互感器捕捉電流過零點(diǎn)，據(jù)此決定開關(guān)動(dòng)作的時(shí)機(jī)，以避 免電壓電流不同相的情況下開關(guān)動(dòng)作時(shí)機(jī)的偏差。這對(duì)于感性或容性負(fù)載的斷 開是必要的。
但是該申請(qǐng)不對(duì)閉合過程進(jìn)行控制，因此在大電流、容性或感性負(fù)載時(shí)難 以避免接觸跳弧。
更重要的是，它利用主開關(guān)和輔助開關(guān)的觸頭間隙差別來實(shí)現(xiàn)分?jǐn)囗樞颍?由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的離散性和運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性，不容易保證兩個(gè)開關(guān)動(dòng)作的時(shí)間差。
最后，該申請(qǐng)用分立元件組成的控制電路功能簡(jiǎn)單，控制精度低，還沒有 對(duì)電磁開關(guān)的閉合延時(shí)和分?jǐn)嘌訒r(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。
中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)第90100467.7號(hào)提出了一種附加在交流接觸器兩端使 用的消弧控制器。它實(shí)際上也是一種二極管消弧交流開關(guān)。該申請(qǐng)使用了各自獨(dú)立的電磁線圈驅(qū)動(dòng)主開關(guān)和輔助開—關(guān)，并對(duì)接通和分銜過程都予以控制。
該申請(qǐng)?jiān)噲D對(duì)控制電路予以改進(jìn)，甚至提出了可以釆用計(jì)算機(jī)控制主輔開 關(guān)的動(dòng)作。不過它卻沒能給出的具體的技術(shù)方案，而是釆用分立的邏輯元件構(gòu) 成控制電路。這使得它依然不能對(duì)電磁開關(guān)的動(dòng)作延遲靈活的補(bǔ)償。
另外，該申請(qǐng)沒有對(duì)電流過零進(jìn)行釆樣，因此也僅適用于純電阻負(fù)載。
綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的二極管消弧交流開關(guān)都沒有能力對(duì)主開關(guān)和輔助 開關(guān)的動(dòng)作時(shí)機(jī)實(shí)現(xiàn)精確到相位的控制，因此其消弧效果得不到保證；其中的
二極管導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)不受控，需要較大電流容量的二極管來防止過載燒毀；更重要
的是其控制電路均不方便對(duì)電磁開關(guān)的動(dòng)作延遲進(jìn)行補(bǔ)償。
本發(fā)明的任務(wù)就是要提出一種效果更好的二極管消弧交流開關(guān)，它對(duì)接通 和分?jǐn)噙^程都給予精確到相位的控制，能夠補(bǔ)償主、輔開關(guān)的動(dòng)作延遲，確保 其不產(chǎn)生電弧，并能適用于阻性、感性和容性負(fù)載。
本發(fā)明用以下方案實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)二極管消弧交流開關(guān)，由主開關(guān)(l)、 并聯(lián)消弧支路和控制電路構(gòu)成。所說的消弧支路由二極管(5)和輔助開關(guān)(2)串 聯(lián)而成；所說的控制電路包含電壓過零檢測(cè)單元(8)、電流過零檢測(cè)單元(7)和 時(shí)序控制單元。本發(fā)明的特征在于所說的時(shí)序控制單元由微控制器(6)構(gòu)成。 該微控制器(6)收到開關(guān)接通信號(hào)后開始監(jiān)測(cè)電壓過零檢測(cè)單元(8)，在二極管 (5)進(jìn)入反向偏釁期閉合輔敗開關(guān)(2)，待二極管(5)進(jìn)入正向偏置期閉合主開關(guān) (1);當(dāng)微控制器(6)收到開關(guān)斷開信號(hào)時(shí)開始監(jiān)測(cè)電流過零檢測(cè)單元(7)并立即 閉合輔助開關(guān)(2),當(dāng)二極管(5)進(jìn)入正向偏置期分?jǐn)嘀鏖_關(guān)(1)，待二極管(5) 進(jìn)入反向偏置期分?jǐn)噍o助開關(guān)(2)。
按照本發(fā)明至少可以有如下效果由于釆用了微控制器(單片機(jī))構(gòu)成封序控制單元，可以充份利用其控制的 靈活性補(bǔ)償電磁開關(guān)動(dòng)作的延遲，更加精確地操作主開關(guān)和輔助開關(guān)，使它們 在最佳時(shí)刻閉合或分?jǐn)?，更有效地抑制電弧的產(chǎn)生。還可以方便地通過編程調(diào) 節(jié)主、輔開關(guān)動(dòng)作的時(shí)間差，使二極管和輔助開關(guān)分流時(shí)長(zhǎng)盡可能縮短，允許 選用較小電流容量的二極管和輔助開關(guān)，有助于減小開關(guān)的體積和制造成本。 本發(fā)明唯一的附圖表明了這種開關(guān)的電原理。
本發(fā)明唯一的附圖是所說二極管消弧開關(guān)的電原理框圖。
以下結(jié)合


本發(fā)明的實(shí)施方式，并進(jìn)一步闡述本發(fā)明的構(gòu)成和效果。
如圖所示，本發(fā)明二極管消弧交流開關(guān)的構(gòu)成是在主開關(guān)(l)的兩端
并聯(lián)由二極管(5)和輔助開關(guān)(2)串聯(lián)而成的消弧支路。兩個(gè)開關(guān)分別由各 自的電磁線圈(3和4)驅(qū)動(dòng)?？刂齐娐钒妷哼^零檢測(cè)單元(8)、電流過零 檢測(cè)單元(7)和微控制器(6)。微控制器分別定義了控制主開關(guān)的輸出端和控 制輔助開關(guān)的輸出端，二者通過驅(qū)動(dòng)電路(9)連接到主開關(guān)的電磁線圈(3) 和輔助開關(guān)的電磁線圈(4)。
所說的電壓過零檢測(cè)電路(8)和電流過零檢測(cè)電路(7)都是公知技術(shù)中 的一部份。本發(fā)明只要求它能夠在交流電壓或電流過零時(shí)輸出高或低電平脈沖， 讓微控制器U)可以檢測(cè)到過零時(shí)刻。為檢測(cè)這兩個(gè)信號(hào)，微控制器(6)定 義了兩個(gè)輸入端口分別與之相連接。
理想電磁開關(guān)假設(shè)從加電或斷電到觸頭閉合或分?jǐn)嗍撬矔r(shí)完成的。專業(yè)技 術(shù)人員都知道，事實(shí)上現(xiàn)實(shí)中并不存在這樣的理想開關(guān)。電磁開關(guān)從線圈加電 或斷電到觸頭閉合或分開都會(huì)延遲數(shù)毫秒到數(shù)十亳秒，稱為閉合時(shí)間和分?jǐn)鄷r(shí) 間。由于閉合和分?jǐn)鄷r(shí)間的存在，.要確保觸頭在需要的正弦交流電相位完成動(dòng)作，必須根據(jù)每種開關(guān)的閉合和分?jǐn)鄷r(shí)間提前給線圈加電或斷電。這就要求控 制器對(duì)過零時(shí)刻作前瞻性監(jiān)測(cè)，即監(jiān)測(cè)動(dòng)作相位前的過零點(diǎn)，以便提前給電磁 線圈加電或斷電，來補(bǔ)償開關(guān)動(dòng)作的延遲現(xiàn)象。現(xiàn)有技術(shù)提供的二極管消弧開 關(guān)都沒有給出這種延遲補(bǔ)償?shù)姆桨浮?br> 由于采用了微控制器作為控制單元，利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)所說的補(bǔ)償是方便并
顯而易見的。本實(shí)施例采用了最簡(jiǎn)單和直接的辦法在微控制器(6)中設(shè)置一個(gè) 過零計(jì)時(shí)器，同時(shí)分別存儲(chǔ)主開關(guān)(1)和輔助開關(guān)(2)的閉合延遲時(shí)間和分?jǐn)嘌?遲時(shí)問。每當(dāng)微控制器收到接通或斷開信號(hào)時(shí)，就開始監(jiān)測(cè)過零檢測(cè)單元，捕
捉預(yù)計(jì)開關(guān)動(dòng)作所在半周的前一個(gè)半周的過零點(diǎn)，啟動(dòng)所說的過零計(jì)時(shí)器，以 毫秒為單位計(jì)時(shí)該過零點(diǎn)以來的持續(xù)時(shí)間。當(dāng)計(jì)時(shí)器時(shí)間加上開關(guān)延遲時(shí)間恰
好落在預(yù)計(jì)開關(guān)動(dòng)作所在半周時(shí)給電磁線圈加電或斷電，使開關(guān)動(dòng)作恰于期望 的時(shí)刻完成。
具體地說其控制過程是
在接通過程，微控制器(6)在收到接通信號(hào)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓過零檢測(cè)單元(8), 并在二極管(5)由反偏壓期間過渡到正偏壓的時(shí)刻開始以毫秒為單位計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì) 時(shí)時(shí)間與輔助開關(guān)閉合延遲時(shí)間之和大于電源半周期小于電源全周期時(shí)發(fā)出輔 助開關(guān)(2)閉合指令，給輔助開關(guān)的電磁線圈(4)加電，經(jīng)過輔助開關(guān)閉合動(dòng) 作延遲后剛好在二極管反向偏置而載止半周內(nèi)完成閉合，實(shí)現(xiàn)無弧接通;當(dāng)持 續(xù)計(jì)時(shí)時(shí)間與主開關(guān)閉合延遲時(shí)間之和大于電源全周期且小于1.5電源周期時(shí) 發(fā)出主開關(guān)(l)閉合指令，給主幵關(guān)電磁線圈加電，經(jīng)過主開關(guān)閉合動(dòng)作延遲后 剛好在二極管正向偏置而導(dǎo)通的半周內(nèi)完成閉合，實(shí)現(xiàn)無弧接通。
在斷開過程，微控制器(6)在收到分?jǐn)嘈盘?hào)時(shí)立即閉合輔助開關(guān)(2),開始 監(jiān)測(cè)電流過零檢測(cè)單元(7)，并在二極管(5)由正偏壓期間過渡到反偏壓的時(shí)刻開始以亳秒為單位計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間與主開關(guān)分?jǐn)嘌舆t時(shí)間之和大于電源半周 期且小于電源全周期時(shí)發(fā)出主開關(guān)(l)分?jǐn)嘀噶睿o主開關(guān)的電磁線圈(3)反向 加電或斷電，經(jīng)過主開關(guān)的分?jǐn)嘌舆t后剛好在二極管(5)正向偏置而導(dǎo)通的半周 內(nèi)完成分?jǐn)啵瑢?shí)現(xiàn)無弧斷開；當(dāng)持續(xù)計(jì)時(shí)時(shí)間與輔助開關(guān)(2)分?jǐn)嘌舆t時(shí)間之
和大于電源全周期且小于1.5電源周期時(shí)發(fā)出輔助開關(guān)(2)分?jǐn)嘀噶?，給輔助 開關(guān)的電磁線圈(4)反向加電或斷電，經(jīng)過輔助開關(guān)的分?jǐn)嘌舆t后剛好在二極管 反向偏置而載止的半周內(nèi)完成分?jǐn)啵瑢?shí)現(xiàn)無弧斷開。
如此精確的控制更加可靠地保證主開關(guān)和輔助開關(guān)無弧通斷，消弧效果得 以充份保證。
本發(fā)明還有更進(jìn)一步的效果。利用如上所述的定時(shí)精確控制，可以盡可能 地減小主、輔開關(guān)動(dòng)作的時(shí)間差，使之即保持良好的消弧效果，又有最短的二 極管通電時(shí)間。這將允許選用較小電流容量的二極管和輔助開關(guān)，有助于減小 開關(guān)體積和降低制造成本。
具體辦法是在接通過程盡量提前主開關(guān)閉合時(shí)刻；在斷開過程則盡量推 后主開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)刻。通過改變定時(shí)器時(shí)間，專業(yè)人員不難實(shí)現(xiàn)上述效果。
本發(fā)明還有一個(gè)效果是，現(xiàn)實(shí)中電磁開關(guān)的通、斷延遲都會(huì)有一定的離散 性。本發(fā)明開關(guān)中存儲(chǔ)閉合時(shí)間和分?jǐn)鄷r(shí)間的特征可以有效地彌補(bǔ)參數(shù)離散性 帶來的動(dòng)作時(shí)刻變化。這是現(xiàn)有技術(shù)提供的開關(guān)所不可能做到的。
當(dāng)所選用的電磁開關(guān)的動(dòng)作延遲小于半周期或長(zhǎng)于全周期時(shí)，本發(fā)明開關(guān) 還可以通過減少或增加提前量來適應(yīng)這種更快或更慢的開關(guān)。具體地說就是
當(dāng)開關(guān)動(dòng)作延遲小于半周期時(shí)，微控制器改為監(jiān)測(cè)預(yù)計(jì)動(dòng)作所在半周的過 零點(diǎn)。當(dāng)開關(guān)動(dòng)作延遲大于全周期時(shí)，微控制器監(jiān)測(cè)更前面的過零點(diǎn)。
權(quán)利要求
1、二極管消弧交流開關(guān)，由主開關(guān)(1)、并聯(lián)消弧支路和控制電路構(gòu)成，所說的消弧支路由二極管(5)和輔助開關(guān)(2)串聯(lián)而成，所說的控制電路包含電壓過零檢測(cè)單元(8)、電流過零檢測(cè)單元(7)和時(shí)序控制單元，本發(fā)明的特征在于所說的時(shí)序控制單元由微控制器(6)構(gòu)成，該微控制器(6)收到開關(guān)接通信號(hào)后開始監(jiān)測(cè)電壓過零檢測(cè)單元(8)，在二極管(5)進(jìn)入反向偏置時(shí)閉合輔助開關(guān)(2)，待二極管(5)進(jìn)入正向偏置時(shí)閉合主開關(guān)(1)；當(dāng)微控制器(6)收到開關(guān)斷開信號(hào)時(shí)開始監(jiān)測(cè)電流過零檢測(cè)單元(7)并立即閉合輔助開關(guān)(2)，當(dāng)二極管(5)進(jìn)入正向偏置時(shí)分?jǐn)嘀鏖_關(guān)(1)，待二極管(5)進(jìn)入反向偏置時(shí)分?jǐn)噍o助開關(guān)(2)。
2、 如權(quán)利要求1所述的二極管消弧交流開關(guān)，其特征是所說的微控制 器(6)設(shè)有過零計(jì)時(shí)器，以亳秒為單位計(jì)時(shí)過零以來的延續(xù)時(shí)間，該控制器還分 別存儲(chǔ)主開關(guān)(1)和輔助開關(guān)(2)的閉合延遲時(shí)間和分?jǐn)嘌舆t時(shí)間，該計(jì)時(shí)器時(shí) 間與延遲時(shí)間配合補(bǔ)償開關(guān)(l和2)的動(dòng)作延遲。
3、 如權(quán)利要求2所述的二極管消弧開關(guān)，其特征是所說的微控制器(6) 在收到接通信號(hào)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓過零檢測(cè)單元(8),并在二極管(5)由反偏壓期間過 渡到正偏壓的時(shí)刻開始以亳秒為單位計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間與輔助開關(guān)閉合延遲時(shí) 間之和大于電源半周期小于電源全周期時(shí)發(fā)出輔助開關(guān)(2)閉合指令，當(dāng)持續(xù)計(jì) 時(shí)時(shí)間與主開關(guān)閉合延遲時(shí)間之和大于電源全周期且小于1.5電源周期時(shí)發(fā)出 主開(l)關(guān)閉合指令。
4、 如權(quán)利要求2所述的二極管消弧開關(guān)，其特征是所說的微控制器(6) 在收到分?jǐn)嘈盘?hào)時(shí)立即閉合輔助開關(guān)(2),開始監(jiān)測(cè)電流過零檢測(cè)單元(7),并 在二極管由正偏壓期間過渡到反偏壓的時(shí)刻開始以亳秒為單位計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí) 間與主開關(guān)分?jǐn)嘌舆t時(shí)間之和大于電源半周期且小于電源全周期時(shí)發(fā)出主開關(guān)(1)分?jǐn)嘀噶睿?dāng)持續(xù)計(jì)時(shí)時(shí)間與輔助開關(guān)(2)分?jǐn)嘌舆t時(shí)間之和大于電源全 周期且小于1.5電源周期時(shí)發(fā)出輔助開關(guān)(2)分?jǐn)嘀噶睢?br> 全文摘要
二極管消弧交流開關(guān)，由主開關(guān)、并聯(lián)消弧支路和控制電路構(gòu)成，所說的消弧支路由二極管和輔助開關(guān)串聯(lián)而成，所說的控制電路包含電壓過零檢測(cè)單元、電流過零檢測(cè)單元和時(shí)序控制單元，本發(fā)明的特征在于所說的時(shí)序控制單元由微控制器構(gòu)成，該微控制器收到開關(guān)接通信號(hào)后開始監(jiān)測(cè)電壓過零檢測(cè)單元，在二極管進(jìn)入反向偏置時(shí)閉合輔助開關(guān)，待二極管進(jìn)入正向偏置時(shí)閉合主開關(guān)；當(dāng)微控制器收到開關(guān)斷開信號(hào)時(shí)開始監(jiān)測(cè)電流過零檢測(cè)單元并立即閉合輔助開關(guān)，當(dāng)二極管進(jìn)入正向偏置時(shí)分?jǐn)嘀鏖_關(guān)，待二極管進(jìn)入反向偏置時(shí)分?jǐn)噍o助開關(guān)。
文檔編號(hào)H01H9/30GK101587785SQ20081001153
公開日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2008年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月23日
發(fā)明者帆 徐, 徐國(guó)祥 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)市睿寶電子有限公司