專利名稱：電流零點附近斷電交流電力開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種交流電力開關。
技術背景-
交流電幾乎用于所有用電領域。交流電力開關是交流供電必不可 少的電器設、備。工業上交流接觸器、交流斷電器都屬于交流電力開關。 交流電力開關在斷電過程中動、靜觸頭間會產生強烈的電弧，致使觸 頭表面燒蝕氧化，這是影響交流電力開關電壽命最主要的原因。這種 現象使開關導電能力降低，觸頭發熱，造成電能浪費，同時還消耗了 大量制造觸頭的稀有金屬材料，嚴重時還可能釀成火災等災難性后 果。本發明針對上述問題，提出一種電流零點附近斷電交流電力開關， 實現了交流電力開關無電弧斷電或者小電弧斷電。
發明內容
交流電流隨時間呈正弦函數變化，在電流零點或零點之前一段很 短時間內電流為零或者很小，在這段時間內關斷電流，交流電力開關 動、靜觸頭之間出現的電弧很小，甚至沒有電弧。這是因為1、關
斷時電流很小；2、經歷很短時間電流過零點，致使觸頭附近介質電 離的正負離子重新復合，介質的絕緣特性恢復；3、電流反向后，觸 頭已經分斷一定的距離，不會二次擊穿導通。尤其對于電感性負載， 由于電感的磁場能量正比于電流的平方，在接近于電流零點時，電感 的磁場能量幾乎為零，不會形成電感強放電電弧。這就是本發明的基本理論依據。
圖1是本發明的總體構思圖。本發明包括串聯在交流電路1中的 由動、靜觸頭組成的主觸頭組11，控制交流電路1電流的通斷。它
還由交流零點檢測系統2、控制系統4和伺服系統3構成。交流電路 1和交流零點檢測系統2關聯，交流零點檢測系統2和控制系統4連 接，控制系統4和伺服系統3連接。交流零點檢測系統2周期性地取 得交流電路1電流零點位置信息，或者周期性地取得與交流電路1電 流零點相差一個固定相位的特定位置信息，并將這些信息傳遞給控制 系統4。控制系統4可以是一個微處理器，也可以是一個邏輯電路。 控制系統4的作用是接收交流零點檢測系統2發來的信號，并在需要 交流電路1斷開時，適時地向伺服系統3發出斷電控制信號。伺服系 統3由開關通斷機構5和相應的驅動電路6構成。伺服系統3接收到 控制系統4發出的斷電控制信號后，通過驅動電路6驅動開關通斷機 構5，分斷交流電力開關的動、靜觸頭的接觸。常用的一種開關通斷 機構5是由電磁鐵直接驅動動觸頭的直動機構，電磁鐵線圈31通電， 電磁鐵吸合，動、靜觸頭閉合，而電磁鐵線圈31斷電，電磁鐵釋放， 動、靜觸頭分斷。在交流電力開關導通狀態下，交流零點檢測系統2 將取得的信息傳遞給控制系統4，需要交流電路l斷開時，控制系統 4在時刻
t4= t3+kT/2-At (1)
或者
t4= t3+kT/2-At— 5 (2)對伺服系統3中驅動電路6發出斷電控制信號，驅動電路6驅動開關 通斷機構5分斷動、靜觸頭的接觸。上兩式中，t3為任意一個交流電 流零點時刻(一般選取最近的交流零點時刻)，T為交流電流的周期， At為從控制系統4發出斷電控制信號到動、靜觸頭開始分離之間時 間間隔的平均值。k為整數，假設當前時刻為t2， k的取值應使t4 2t2 (k一般選取滿足條件的最小值)。3是動、靜觸頭分斷相對于電流零 點提前的微小時間間隔。引入3的目的是避免跨越電流零點后動、靜 觸頭分斷間隔過小，引起二次電弧。J的最佳值與動、靜觸頭分離速 度以及電流有效值有關，可由實驗確定。這樣開關的動、靜觸頭分斷 時刻恰好發生在交流電流零點處附近，或者交流電流零點向前偏移^ 時間處附近。
圖l是本發明的總體構思圖。
圖2是本發明在單相交流電力開關應用的具體實施例。 圖3是本發明在三相三線制交流電力開關應用的具體實施例。 圖4是本發明在對稱負載三相三線制交流電力開關應用的具體 實施例。
圖5是本發明在三相四線制交流電力開關應用的具體實施例。 在上述各圖中，1、交流電路，11、主觸頭組，12、負載，13交 流電源，2、交流零點檢測系統，21、電流感應器，22、電流信號轉 換電路，3、伺服系統，5、開關通斷機構，6、驅動電路，31、電磁 鐵線圈，32、開關管，33、續流二極管，34、電壓檢測電路，35控制開關，36、直流電源，4、控制系統。
具體實施方式
-
以上敘述了構成電流零點附近斷電交流電力開關的一般原則。根 據這個原則，以下分別闡明構成一個單相交流電力開關、三相三線制 電力開關、對稱負載三相三線制電力開關和三相四線制交流電力開關 的具體實施例。
圖2是本發明在單相交流電力開關應用的具體實施例。控制系統 4采用微處理器。交流零點檢測系統2由電流感應器21和電流信號 轉換電路22連接構成。電流感應器21由導磁環套裝在交流電路1上， 形成初級線圈，在導磁環上繞制若干匝導線形成次級線圈。電流信號 轉換電路22由橋式整流器和比較器連接構成。橋式整流器的兩個輸 入端和電流感應器21次級線圈兩個端頭連接，正輸出端通過電阻連 接到比較器負輸入端，正負輸出端之間連接一個電阻，起到限制比較 器輸入端懸浮的作用。比較器正輸入端連接參考電壓23的正極，參 考電壓的負極和橋式整流器的負輸出端連接，比較器的輸出端連接到 微處理器的一個I/O端口。電流感應器21輸出信號經過橋式整流器 和參考電壓通過比較器進行比較，得到負脈沖信號，這個信號的中間 點，與交流電流的零點相差一個固定相位，比較器的輸出端通過連接 的I/O端口將信號輸送到微處理器。伺服系統3包括開關通斷機構5 (圖中未畫出)、驅動電路6和電壓檢測電路34。開關通斷機構5采 用電磁鐵直接驅動動觸頭的直動機構。驅動電路6由電磁鐵線圈31、 開關管32、續流二極管33、直流電源36及控制開關35構成。其中電磁鐵線圈31 —端通過控制開關35連接直流電源36的正極，另一 端連接開關管32的集電極。開關管35的發射極和直流電源36的負 極連接，基極通過一個電阻連接到微處理器的一個1/0端口。續流二 極管33正極連接直流電源36的負極，負極通過控制開關35連接直 流電源36的正極。電壓檢測電路34由兩個電阻串聯，串聯后一端連 接到直流電源36的負極，另一端連接二極管的負極，二極管的正極 通過控制開關35連接到直流電源36的正極，兩個電阻串聯的中間結 點連接到微處理器的一個I/0端口。直流電源36的負極、橋式整流 器的負輸出端和微處理器共地。當控制開關35閉合時，微處理器通 過相應的I/0端口向開關管32基極提供電流，開關管32導通，電磁 鐵線圈31通電，電磁鐵吸合，交流電力開關主觸頭組ll閉合，交流 電路1通電工作。工作中電壓檢測電路34向微處理器始終提供高電 平信號，交流零點檢測系統2始終向微處理器提供交流零點的相位信 息。當控制開關35關斷時，電壓檢測電路34電阻串聯的中間結點立 即變為低電平并通過相應的I/O端口傳遞給微處理器。在控制開關 35斷開短時間內，電磁鐵線圈31、開關管32、和續流二極管33構 成續流回路，電磁鐵線圈31仍有電流流過，交流開關主觸頭組11的 動、靜觸頭仍處于閉合狀態。微處理器根據交流零點位置等相關參數 利用上述公式(1)或者(2)來確定發出斷電信號的時刻。等待時間 到，微處理器通過相應的1/0端口切斷開關管32基極電流，電磁鐵 線圈31斷電，電磁鐵分斷，驅動主觸頭組11的動觸頭分斷。
圖3是本發明在三相三線制交流電力開關應用的具體實施例。三個主觸頭組11分別串聯于A、 B、 C三相電路中控制三相電路的通斷， 其中有兩個主觸頭組11的動觸頭聯動。因此三相三線制交流電力開 關伺服系統3需要兩個開關通斷機構5和對應的驅動電路6。其中一 個開關通斷機構5由電磁鐵驅動非聯動的動觸頭，另一個開關通斷機 構5由電磁鐵驅動兩個聯動的動觸頭。每個驅動電路6結構和連接方 式都與單相交流電力開關驅動電路6相同。電壓檢測電路34與單相 交流電力開關的電壓檢測電路34結構和連接方式完全相同。控制系 統4采用微處理器。三相三線制交流電力開關需要兩個交流零點檢測 系統2，每個交流零點檢測系統2與單相交流電力開關的交流零點檢 測系統2結構和連接方式相同。其中一個交流零點檢測系統2的電流 感應器21導磁環套裝在非聯動動觸頭對應的相電路中，另一個交流 零點檢測系統2的電流感應器21導磁環套裝在兩個聯動動觸頭對應 的兩相電路其中一相中。兩個電路信號轉換電路中的比較器的輸出端 連接到微處理器對應的1/0端口。當控制開關35關斷后，微處理器 如同對單相開關關斷過程一樣，根據交流零點位置等相關參數利用上 述公式(1)或者(2)來確定發出斷電信號的時刻，首先對非聯動動 觸頭進行分斷。非聯動動觸頭分斷后，等待聯動動觸頭對應的兩相電 路出現電流零點，微處理器再利用新零點的位置，重復上述過程，對 聯動觸頭進行分斷。第二步關斷過程中等待電流零點出現的原因是三 相三線制供電過程中，關斷一相電流瞬間，另外任意兩相與負載構成 的電路電流零點時間要發生改變。
對于對稱負載三相三線制交流電力開關，可以證明，其中一相電路在電流零點斷開，另外兩相和負載形成的串聯電路交流零點發生在
斷開的那相交流零點之后T/4處。由此可以簡化三相三線制交流電力 開關的結構和電路。
圖4是本發明在對稱負載三相三線制交流電力開關應用的具體 實施例。對稱負載三相三線制交流電力開關實施例和三相三線制交流 電力開關實施例相比，除了去掉聯動動觸頭所在那兩相電路對應的交 流零點檢測系統2,其余部分的結構和連接方式與三相三線制交流電 力開關完全相同。當控制開關35關斷后，微處理器如同對單相開關 關斷過程一樣，根據交流零點位置等相關參數利用上述公式(1)或 者(2)來確定發出斷電信號的時刻，首先對非聯動動觸頭進行分斷。
對于聯動動觸頭的分斷，微處理器在時刻
ts= t3+kT/2—At' +T/4 (3)
或者
ts二 t3+kT/2-At' - (4) 對伺服系統3中聯動動觸頭對應的驅動電路6發出斷電控制信號，相 應的開關通斷機構5分斷聯動動觸頭。t3和k與非聯動動觸頭分斷計 算取值相同，At'為從控制系統4對聯動動觸頭對應的驅動電路6 發出斷電控制信號，到聯動動觸頭開始分離之間時間間隔的平均值。 圖5是本發明在三相四線制交流電力開關應用的具體實施例。三 個開關主觸頭組11分別串聯于A、 B、 C相電路中控制三相電路的通 斷，因此三相四線制交流電力開關伺服系統需要三個開關通斷機構5 和對應的驅動電路6。每個開關通斷機構5都由一個電磁鐵分別驅動一個主觸頭組11的動觸頭，每個驅動電路6結構和連接方式都與單 相交流電力開關驅動電路6相同。電壓檢測電路34與單相交流電力 開關的電壓檢測電路34結構和連接方式完全相同。三相四線制交流 電力開關需要三個交流零點檢測系統2，每個交流零點檢測系統2與 單相交流電力開關的交流零點檢測系統2結構和連接方式相同。每個 交流零點檢測系統2的電流感應器21導磁環分別套裝在對應的相電 路中，電流信號轉換電路中的比較器的輸出端連接到微處理器對應的 1/0端口。當控制開關35關斷后，微處理器如同對單相開關關斷過 程一樣對每個動觸頭先后進行分斷。
交流零點檢測系統2除了上述結構以外，它的電流感應器21還 可以采用電流傳感器。電流傳感器將電流信號傳遞給過零比較器或者 模數轉換器。過零比較器產生的方波邊沿的位置或者模數轉換器數值 為零的位置都表示了交流電流零點的位置。
對于固定的恒定負載的交流電路，電流和電壓相位差總是相差一 個固定值，因此可以通過交流電壓零點求得電流零點位置，這樣任何 可以測定交流電壓零點的電路或者傳感器都可以用來測定間接測定 交流電流零點位置。
權利要求
1、一種包括串聯在交流電路中的由動、靜觸頭組成的主觸頭組，控制交流電路電流的通斷的電流零點附近斷電交流電力開關，其特征在于它還由交流零點檢測系統、控制系統和伺服系統構成；交流電路和交流零點檢測系統關聯，交流零點檢測系統和控制系統連接，控制系統和伺服系統連接；交流零點檢測系統周期性地取得交流電路電流零點位置信息，或者周期性地取得與交流電路電流零點相差一個固定相位的特定位置信息，并將這些信息傳遞給控制系統；控制系統可以是一個微處理器，也可以是一個邏輯電路；控制系統接收交流零點檢測系統發來的信號，并在需要交流電路斷開時，適時地向伺服系統發出斷電控制信號；伺服系統由開關通斷機構和相應的驅動電路構成；伺服系統接收到控制系統發出的斷電控制信號后，通過驅動電路驅動開關通斷機構，分斷交流電力開關的動、靜觸頭的接觸；在交流電力開關導通狀態下，交流零點檢測系統將取得的信息傳遞給控制系統，需要交流電路斷開時，控制系統在時刻t4＝t3+kT/2-Δt(1)或者t4＝t3+kT/2-Δt-δ(2)對伺服系統中驅動電路發出斷電控制信號，驅動電路驅動開關通斷機構分斷動、靜觸頭的接觸；上兩式中，t3為任意一個交流電流零點時刻，T為交流電流的周期，Δt為從控制系統發出斷電控制信號到動、靜觸頭開始分離之間時間間隔的平均值；k為整數，假設當前時刻為t2，k的取值應使t4≥t2；δ是動、靜觸頭分斷相對于電流零點提前的微小時間間隔。
2、根據取利要求1所述的電流零點附近斷電交流電力開關，其 特征在于對于單相交流電力開關，控制系統采用微處理器；交流零 點檢測系統由電流感應器和電流信號轉換電路連接構成；電流感應器 由導磁環套裝在交流電路上，形成初級線圈，在導磁環上繞制若干匝 導線形成次級線圈；電流信號轉換電路由橋式整流器和比較器連接構 成；橋式整流器的兩個輸入端和電流感應器次級線圈兩個端頭連接， 正輸出端通過電阻連接到比較器負輸入端，正負輸出端之間連接一個 電阻；比較器正輸入端連接參考電壓的正極，參考電壓的負極和橋式 整流器的負輸出端連接，比較器的輸出端連接到微處理器的一個I/O 端口；電流感應器輸出信號經過橋式整流器和參考電壓通過比較器進行比較，得到負脈沖信號，比較器的輸出端通過連接的i/o端口將信號輸送到微處理器；伺服系統包括開關通斷機構(圖中未畫出)、驅 動電路和電壓檢測電路；開關通斷機構采用電磁鐵直接驅動動觸頭的 直動機構；驅動電路由電磁鐵線圈、開關管、續流二極管、直流電源 及控制開關構成；其中電磁鐵線圈一端通過控制開關連接直流電源的 正極，另一端連接開關管的集電極；開關管的發射極和直流電源的負 極連接，基極通過一個電阻連接到微處理器的一個I/0端口；續流二 極管正極連接直流電源的負極，負極通過控制開關連接直流電源的正 極；電壓檢測電路由兩個電阻串聯，串聯后一端連接到直流電源的負 極，另一端連接二極管的負極，二極管的正極通過控制開關連接到直流電源的正極，兩個電阻串聯的中間結點連接到微處理器的一個I/O 端口；直流電源的負極、橋式整流器的負輸出端和微處理器共地；當 控制開關閉合時，微處理器通過相應的1/0端口向開關管基極提供電 流，開關管導通，電磁鐵線圈通電，電磁鐵吸合，交流電力開關主觸 頭組閉合，交流電路通電工作；工作中電壓檢測電路向微處理器始終 提供高電平信號，交流零點檢測系統始終向微處理器提供交流零點的 相位信息；當控制開關關斷時，電壓檢測電路電阻串聯的中間結點立 即變為低電平并通過相應的1/0端口傳遞給微處理器；在控制開關斷 開短時間內，電磁鐵線圈、開關管、和續流二極管構成續流回路，電 磁鐵線圈仍有電流流過，交流開關主觸頭組的動、靜觸頭仍處于閉合 狀態；微處理器根據交流零點位置等相關參數利用上述公式(1)或 者(2)來確定發出斷電信號的時刻；等待時間到，微處理器通過相 應的I/0端口切斷開關管基極電流，電磁鐵線圈斷電，電磁鐵分斷， 驅動主觸頭組分斷。
3、根據取利要求1所述的電流零點附近斷電交流電力開關，其 特征在于對于三相三線制交流電力開關，三個主觸頭組分別串聯于 A、 B、 C三相電路中控制三相電路的通斷，其中有兩個主觸頭組的動 觸頭聯動；三相三線制交流電力開關伺服系統需要兩個開關通斷機構 和對應的驅動電路；其中一個開關通斷機構由電磁鐵驅動非聯動的動 觸頭，另一個開關通斷機構由電磁鐵驅動兩個聯動的動觸頭；每個驅 動電路結構和連接方式都與單相交流電力開關驅動電路相同；電壓檢 測電路與單相交流電力開關的電壓檢測電路結構和連接方式完全相同；控制系統釆用微處理器；三相三線制交流電力開關需要兩個交流 零點檢測系統，每個交流零點檢測系統與單相交流電力開關的交流零 點檢測系統結構和連接方式相同；其中一個交流零點檢測系統的電流 感應器導磁環套裝在非聯動動觸頭對應的相電路中，另一個交流零點 檢測系統的電流感應器導磁環套裝在兩個聯動動觸頭對應的兩相電 路其中一相中；兩個電路信號轉換電路中的比較器的輸出端連接到微 處理器對應的I/0端口；當控制開關關斷后，微處理器如同對單相開 關關斷過程一樣，根據交流零點位置等相關參數利用上述公式(1) 或者(2)來確定發出斷電信號的時刻，首先對非聯動動觸頭進行分 斷；非聯動動觸頭分斷后，等待聯動動觸頭對應的兩相電路出現電流 零點，微處理器再利用新零點的位置，重復上述過程，對聯動觸頭進 行分斷。
4、根據取利要求l所述的電流零點附近斷電交流電力開關，其 特征在于對于對稱負載三相三線制交流電力開關，和三相三線制交 流電力開關相比，除了去掉聯動動觸頭所在那兩相電路對應的交流零 點檢測系統，其余部分的結構和連接方式與三相三線制交流電力開關 完全相同；當控制開關關斷后，微處理器如同對單相開關關斷過程一 樣，根據交流零點位置等相關參數利用上述公式(1)或者(2)來確 定發出斷電信號的時刻，首先對非聯動動觸頭進行分斷；對于聯動動 觸頭的分斷，微處理器在時刻ts= t3+kT/2-At' +T/4 (3)或者ts= t3+kT/2-At' - (4) 對伺服系統中聯動動觸頭對應的驅動電路發出斷電控制信號，相應的 開關通斷機構分斷聯動動觸頭；t3和k與非聯動動觸頭分斷計算取值 相同，At'為從控制系統對聯動動觸頭對應的驅動電路發出斷電控 制信號，到聯動動觸頭開始分離之間時間間隔的平均值。
5、 根據取利要求1所述的電流零點附近斷電交流電力開關，其 特征在于對于三相四線制交流電力開關，三個開關主觸頭組分別串 聯于A、 B、 C相電路中控制三相電路的通斷，三相四線制交流電力開 關伺服系統需要三個開關通斷機構和對應的驅動電路；每個開關通斷 機構都由一個電磁鐵分別驅動一個主觸頭組的動觸頭，每個驅動電路 結構和連接方式都與單相交流電力開關驅動電路相同；電壓檢測電路 與單相交流電力開關的電壓檢測電路結構和連接方式完全相同；三相 四線制交流電力開關需要三個交流零點檢測系統，每個交流零點檢測 系統與單相交流電力開關的交流零點檢測系統結構和連接方式相同； 每個交流零點檢測系統的電流感應器導磁環分別套裝在對應的相電 路中，電流信號轉換電路中的比較器的輸出端連接到微處理器對應的 1/0端口；當控制開關關斷后，微處理器如同對單相開關關斷過程一 樣對每個動觸頭先后進行分斷。
6、 根據取利要求1所述的電流零點附近斷電交流電力開關，其 特征在于交流零點檢測系統的電流感應器還可以采用電流傳感器； 電流傳感器將電流信號傳遞給過零比較器或者模數轉換器；過零比較 器產生的方波邊沿的位置或者模數轉換器數值為零的位置都表示了交流電流零點的位置。
7、根據取利要求l所述的電流零點附近斷電交流電力開關，其 特征在于對于固定的恒定負載的交流電路，交流零點檢測系統的電 流感應器采用任何可以測定交流電壓零點的電路或者傳感器；間接測 定交流電流零點位置。
全文摘要
本發明提出一種電流零點附近斷電交流電力開關。交流電流在電流零點或零點之前一段很短時間內電流為零或者很小，在這段時間內關斷電流，開關電弧很小，甚至沒有電弧。本發明由交流零點檢測系統、控制系統和開關伺服系統構成。交流零點檢測系統檢測電流零點位置信息，關斷交流電路時，控制系統適時地發出斷電控制信號，開關分斷時刻恰好發生在交流電流零點處附近，或者交流電流零點向前偏移δ時間處附近。實現了交流電力開關無電弧或者小電弧分斷。
文檔編號H01H9/54GK101295593SQ200810128818
公開日2008年10月29日 申請日期2008年6月15日 優先權日2008年6月15日
發明者王振民 申請人:王振民