專利名稱：交流電容器投切開關電路的制作方法
技術領域：
本實用新型專利申請涉及一種交流電容器投切開關電路，屬于電氣開關領域，特 別屬于電子/機械復合開關領域。
背景技術：
交流電容器廣泛應用于電網功率因數(shù)補償和電網濾波，交流電容器在電網中使用 時要根據電網的實際需要隨時與電網連接或斷開，即所謂的交流電容器的投切。目前常用 的有MSC(接觸器、斷路器)投切、TSC(可控硅)投切和復合開關(可控硅和接觸器并聯(lián)開 關)投切等幾種方案。MSC投切的缺點是無法解決電容器與電網接通的瞬間產生的浪涌電 流對電網產生沖擊和對電容器的壽命產生的影響，目前解決交流電容器投切時浪涌電流的 辦法是使用TSC投切，讓可控硅“過零投切”，即讓可控硅在零電壓點導通，但實際上由于可 控硅有導通死角，無法控制其在完全的零電壓點實現(xiàn)可控硅的導通，且這種投切方式要求 觸發(fā)精確且可靠性高將增加觸發(fā)電路的成本，另外從可控硅的耐浪涌電流的特性上看，可 控硅不適于做容性負載的開關；雖然TSC投切有成本高、自身發(fā)熱量大和會增加電網的諧 波電流的缺點，但它目前仍是能夠解決電容器投切時浪涌電流的最好選擇。復合開關投切 是結合了 TSC投切和MSC投切兩者的優(yōu)點的一種投切電路的方案，具有成本低、投切瞬間浪 涌電流小的優(yōu)點。復合開關投切是使用可控硅作為過渡電子開關，但可控硅當陽極電壓的 dv/dt很高時會發(fā)生誤導通的現(xiàn)象，一旦發(fā)生誤導通就會燒毀可控硅。一般可控硅使用中 是采用阻容吸收回路減小dv/dt，從而減少可控硅誤導通的可能，而在可控硅投切交流電容 器的場合不可能采用串聯(lián)阻容電路的方法降低dv/dt，因為串聯(lián)電阻將增加投切開關的損 耗。所以可控硅的誤導通是TSC投切和復合開關投切方案的一個難以克服難題，TSC投切 是選用大電流可控硅解決可控硅誤導通時浪涌電流燒毀可控硅的問題，但復合開關一般都 是使用額定電流較小的可控硅，因為使用額定電流大的可控硅就會失去復合開關成本低的 優(yōu)勢，而可控硅的誤導通是造成復合開關失效的主要原因之一。復合開關方案中為了減少 可控硅的誤導通，一般都選dv/dt值較高的可控硅，但這只是減少了可控硅誤導通的幾率， 無法從根本上解決問題。另外，可控硅的誤導通產生的浪涌電流對交流電容器的壽命和電 網也有很大的影響。由于復合開關投切的可靠性問題，復合開關投切實際上是一個有爭議 的投切方案。中國專利申請2009201799 . X公開一種交流電容器投切開關電路，也是一種 電子和機械開關復合的開關，不使用可控硅作為輔助開關。在電容器投切前需要對電容器 充電，投切時先對電容器放電當與電容器串聯(lián)的二極管導通時接通與二極管并聯(lián)的主繼電 器觸點完成投切，在每次投切時二極管的導通時間最大為5毫秒(50Hz交流電)，由于放電 回路電子開關電流的限制，實際二極管在投切過程中的導通時間也就是2-3毫秒，主繼電 器在2-3毫秒內要完成觸點的閉合，這給主繼電器的制造提出了較高的要求。綜上所述，可見除了在要求頻繁、快速投切的場合需要使用TSC投切方案，一般使 用場合TSC投切和復合開關投切與接觸器投切相比并不占什么優(yōu)勢，所以在實際使用中， 目前大量使用的還是接觸器投切。
實用新型內容本實用新型提出一種交流電容器投切開關電路，避免了 MSC投切、TSC投切和復合 開關投切的缺點，在投切開關閉合和斷開的瞬間沒有浪涌電流和觸點打火，開關在斷開時 承受的耐壓與接觸器投切開關相當，而投切速度與TSC投切相當。具有可靠性高、電路簡 單、成本低廉和投切速度快的特點。為實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型提出如下技術方解決案本實用新型的交 流電容器投切開關電路由主繼電器觸點保護電路、主繼電器和單片機控制模塊組成其特征 在于主繼電器觸點保護電路由二極管與輔助繼電器觸點串聯(lián)組成，并聯(lián)在主繼電器觸點 兩端；主繼電器的觸點與被投切的交流電容器串聯(lián)接在電網兩端；單片機控制模塊控制主 繼電器和輔助繼電器的閉合和斷開的時間順序。本實用新型的交流電容器投切開關電路的繼電器觸點保護電路可以是二極管和 電子開關的串聯(lián)。電子開關可以是可控硅、功率MOS管、IGBT，高壓功率三極管等。本實用新型的交流電容器投切開關電路，單片機控制模塊由電容降壓整流濾波電本實用新型的交流電容器投切開關電路具有投切速度塊，開關過程中無浪涌電流 和無繼電器觸點打火的特點，開關的投切速度與TSC投切方式相同，投切開關正常工作時 幾乎沒有開關觸點的損耗，大大延長開關觸點的壽命。開關斷開期間不會發(fā)生開關誤導通 的情況，防止了電容器由于瞬間巨大充電電流而減少壽命或損壞。本實用新型的交流電容 器投切開關電路結構簡單、成本低且可靠性高。

圖1、本實用新型的交流電容器投切開關電路原理圖1 ；圖2、本實用新型的交流電容器投切過程電流、電壓波形圖；圖3、本實用新型的交流電容器投切開關電路原理圖2 ；圖4、本實用新型的交流電容器投切開關電路圖。
具體實施例圖1為本實用新型的交流電容器投切開關電路示意圖。本實用新型的交流電容器 投切開關電路由三部分組成①主繼電器JI觸點Ki的保護電路是并聯(lián)在主繼電器觸點 Kl兩端的二極管D和輔助繼電器J2觸點K2的串聯(lián)電路，這個保護電路的作用是在觸點Kl 閉合或斷開時防止觸點打火或拉弧；②主繼電器Jl 主繼電器Jl的觸點Kl串聯(lián)在被投切 電容器與電網之間；③單片機控制模塊由單片機及外圍電路組成，其作用是控制主繼電 器Jl和輔助繼電器J2觸點的閉合或斷開的時間順序。本實用新型的交流電容器投切開關 電路的工作過程圖2所示投切開關電路投切(開關閉合)時，單片機控制模塊首先控制 輔助繼電器J2的觸點K2閉合，觸點J2閉合的時間選擇在tl到t2的時間段內，在tl、t2 的時間內為交流電的負半周，即使觸點J2閉合，二極管D—直處于反向偏置，二極管截至， 沒有電流通過二極管和繼電器J2的觸點K2，觸點K2動作過程中不會發(fā)生打火現(xiàn)象；交流 電到達t2時刻過零，二極管開始正向偏置，二極管D將迅速導通，單片機控制模塊控制主繼電器Jl的觸點Kl在t3時刻閉合(t3是交流電零點到峰值之間的任意時刻)，繼電器觸點 Kl的閉合的過程中由于二極管是導通的，觸點Kl承受的電壓是二極管的導通電壓0. 7V，所 以繼電器Jl的觸點Kl在閉合的瞬間承受的功耗是很小的，二極管D起到了繼電器觸點保 護的作用。主繼電器Jl的觸點Kl閉合后，將二極管D短路，完成交流電容器的投入電網過 程，Kl完全閉合后，K2的閉合或打開對Kl沒有影響。在這個電容器投入過程中主繼電器 Jl的觸點Kl的抖動是無法避免的，在觸點抖動斷開的瞬間二極管D將隨時導通，觸點只承 受0.7V電壓，故觸點不會打火，這是最大限度的保護繼電器的觸點。將交流電容器從電網 上退投時，先保證輔助繼電器觸點J2的觸點K2閉合，單片機控制模塊控制繼電Jl的觸點 Kl的斷開時間選在t4到t6的時間內，即在交流電的負峰和正峰之間，觸點Kl斷開時二極 管D承受的是正向(導通)電壓即可隨時導通，即Kl 一旦斷開電流立即從二極管流過，觸 點Kl斷開時承受的電壓為二極管的正向電壓0.7V，故觸點不會發(fā)生拉弧現(xiàn)象。繼電器Jl 的觸點Kl斷開后二極管D —直導通到t6時刻自動關斷。在t6到t7的時間段內二極管D 反向偏置不導通，單片機控制模塊控制輔助繼電器J2的觸點K2在t6到t7的時間內斷開， 即完成了電容器的退投過程，t6到t7的時間內沒有電流通過觸點K2，所以觸點K2斷開時 不會發(fā)生拉弧。觸點閉合和斷開過程中通過二極管的電流波形和通過主繼電器觸點的電流 波形如圖2所示。如果圖1中二極管反向連接，本實用新型的交流電容器投切開關電路也能正常工 作，只是觸點J2和Jl的閉合和斷開的時間發(fā)生相應的變化，一般技術人員可以通過前述可 自行推導，在此不再贅述。電容器退投后，電容器上將保持電網的峰值電壓，這個電壓將通過并聯(lián)在電容器 兩端的放電電阻R釋放，對于現(xiàn)有的電容器投切技術是要求電容器上的剩余電壓降到趨于 零時才能再次投入電容器，否則會造成投入時的浪涌電流，而使用本實用新型的交流電容 器投切電路，當電容器再次投切時，由于電容器上有剩余電壓，二極管不會在交流電的過零 點導通，而是要等到交流電壓上升到略超過電容器上的剩余電壓時二極管會自動導通，主 繼電器的觸點在二極管導通后再閉合，就可以實現(xiàn)二極管對主繼電器觸點的保護。知道了 退投和再次投入的時間就可以算出電容器上的剩余電壓，從而可以決定住繼電器觸點閉合 的時間，單片機很容易可以實現(xiàn)這個功能。使用本實用新型的交流電容投切方法，可以實現(xiàn) 交流的電容器的頻繁、快速投切。本實用新型的交流電容器投切方法與現(xiàn)有技術的所謂“過零投切”有著本質的不 同現(xiàn)有技術的過零投入是讓可控硅找零電壓點導通，而本實用新型的投切方法是在交流 電過零的時候讓二極管自動導通。過零投切需要比較復雜的控制電路以保證可控硅在零電 壓點導通，而本實用新型的交流電容器投切方法是在觸點保護電路加反向不導通期間閉合 輔助繼電器觸點，在50Hz交流電的條件下，輔助觸點的閉合有10毫秒的時間，這是非常容 易實現(xiàn)的。電容器的投切過程可以看作是投切開關將電容器作為一個負載接入交流電網 中，只有當開關導通的瞬間觸點承受的電壓或電流為零時，開關觸點承受的功耗才是最小 的，機械開關的觸點不可能準確的在零功耗點導通，并且機械觸點導通過程是伴隨著觸點 的抖動，機械觸點很難實現(xiàn)零功耗導通。TSC投切和復合開關投切都是在可控硅陽極和陰極 承受電壓為零點觸發(fā)可控硅導通實現(xiàn)“零功耗”投切。過零點觸發(fā)可控硅相對還是比較容 易實現(xiàn)的，由于可控硅的導通死角和相應時間參數(shù)的變化，所以精確的控制可控硅過零點導通是難以實現(xiàn)的。而二極管的導通只需要陽極電壓高于陰極電壓一個條件，并不需要觸 發(fā)，所以二極管導通的條件比可控硅簡單多了，導通的速度也比可控硅快，且控制電路的成 本也很低。繼電器的觸點Kl必須在二極管導通時完成閉合過程，而繼電器觸點閉合(包括觸 點的抖動)是需要一定時間的并且有一定的誤差，在電容器投入時二極管的導通時間為5 毫秒(50Hz交流電)，這對選用的繼電器提出比較高的要求，一般的繼電器觸點的動作穩(wěn)定 時間是大于這個時間的，配合本實用新型交流電容器投切開關電路使用的繼電器需要專門 的改進，不在本專利申請中詳述。輔助繼電器也可以用功率MOS管代替如圖3所示。在主繼電器Jl的觸點Kl閉 合和斷開過程中，讓MOS管Tl 一直導通狀態(tài)以保證二極管D隨時可以導通，MOS管Tl的導 通信號由單片機控制模塊提供。也可以用可控硅、IGBT或高壓三極管等電子開關替代功率 MOS管，所以這個繼電器觸點保護電路可以是二極管和電子開關串聯(lián)，電子開關可以是可控 硅、功率MOS管、IGBT，高壓功率三極管等。本實用新型的交流電容器投切開關電路中的繼電器可以是普通直流或交流電磁 繼電器、磁保持繼電器，也可以是機械自鎖繼電器。使用磁保持繼電器或機械自鎖繼電器可 以降低繼電器觸點閉合后的電路功耗。配合本實用新型交流電容器投切開關電路使用的繼 電器應能滿足觸點抖動時間短和觸點動作時間穩(wěn)定的要求。圖4是由二極管D、輔助繼電器J2、磁保持繼電器Jl和單片機及外圍電路為主要 部件組成的本實用新型的交流電容器投切開關電路。單片機的電源由電容降壓整流電源提 供，單片機的4腳測量電網交流電壓的過零點，5腳和6腳分別按時序控制輔助繼電器J2和 主繼電器Jl的閉合和斷開，實現(xiàn)電容器投如和退投。本實用新型的交流電容器投切開關電 路具有體積小、沒有發(fā)熱元件的特點，整個開關可以和交流電容器裝在一起，做成帶有投切 開關的交流電容器，大大的方便安裝和使用。本實用新型的交流電容器投切開關電路也可應用于數(shù)千伏以上的高壓交流電容 器的投切，只需將觸點保護電路中的二極管D換成數(shù)個二極管的串聯(lián)即可，即使是十支二 極管串聯(lián)，在觸點閉合時觸點承受的電壓也僅是7V，本實用新型的交流電容器投切開關電 路可以配合真空接觸器使用，在真空接觸器工作時有觸點保護電路的保護，可以大大減輕 觸點接通和斷開時的負荷，從而大大延長真空接觸器的使用壽命。以上所述，僅為本實用新型的較佳實施例而已，并非用于限定本實用新型的保護 范圍。本實用新型的交流電容器投切開關電路是通過放電回路的放電過程讓二極管自 動的導通，并在二極管導通期間完成繼電器觸點的閉合和斷開過程，二極管在觸點閉合和 斷開的過程中起到了保護機械觸點的作用，因而具有電路巧妙、簡單和容易控制的特點。由 于本實用新型的交流電容器投切開關電路沒有使用可控硅作為電子開關，因而避免了由于 可控硅誤導通造成的交流電容器由于瞬間巨大涌流造成的可控硅和電容器的損壞。并且在 投切過程中，二極管導通的過程中也不產生浪涌電流，這點是復合開關或TSC投切方案中 可控硅導通時所做不到的。電容器的投切是開關將電容器作為負載從電網接入或斷開的過程，本實用新型的 交流電容器投切開關同樣可以用于阻性或感性負載開關。機械觸點開關廣泛的應用與電器
6控制領域，使用單片機精確的控制機械觸點的閉合和斷開，并配合觸點保護電路，這將是機 械觸點開關的一個革命。
權利要求1.一種交流電容器投切開關電路由主繼電器觸點保護電路、主繼電器和單片機控制模 塊組成其特征在于主繼電器觸點保護電路由二極管與輔助繼電器觸點串聯(lián)組成，并聯(lián)在 主繼電器觸點兩端；主繼電器的觸點與被投切的交流電容器串聯(lián)接在電網兩端；單片機控 制模塊控制主繼電器和輔助繼電器的閉合和斷開的時間順序。
2.如權利要求1所述的交流電容器投切開關電路，其特征在于繼電器觸點保護電路可 以是二極管和電子開關的串聯(lián)，電子開關可以是可控硅、功率MOS管、IGBT，高壓功率三極 管。
3.如權利要求1所述的交流電容器投切開關電路，其特征在于單片機控制模塊由電容 降壓整流濾波電源供電。
專利摘要本實用新型提出一種交流電容器投切方法及投切開關電路，用二極管和輔助繼電器組成主繼電器觸點保護電路并聯(lián)在繼電器觸點兩端，在二極管導通的期間讓主繼電器觸點閉合或斷開，觸點動作時沒有浪涌電流且不產生觸點打火，投切開關在斷開時承受的耐壓與繼電器投切開關相當，不會發(fā)現(xiàn)電子開關的誤導通現(xiàn)象，而投切速度與可控硅投切相當。具有電路簡單、工作可靠、成本低廉和投切速度快的特點。
文檔編號H02J3/18GK201860115SQ201020239150
公開日2011年6月8日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權日2010年6月28日
發(fā)明者王海 申請人:王海