專利名稱：無火花開關的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種低壓電器開關。
目前廣泛應用的機械觸點式低壓電器開關，如繼電器，接觸器、磁力起動器、氣動開關等直接起動功率負載的開關器件普遍存在著放電火花問題，因而對觸點材料的要求很高，而且對于觸點電流較大的開關往往還要設滅弧罩，這就使這類開關進一步縮小體積、降低成本，提高壽命受到了限制。但這種傳統的機械式開關因其觸點在接通以后壓降接近于零，工作熱損耗極小等優點仍然得到廣泛的應用。新型的半導體開關器件，如各種可控硅及由可控硅為核心構成的固態繼電器等無觸點開關，雖然具有無放電火花的優點，但因其導通壓降大。(約為(0.8～3V)，結溫高(額定工作狀態可達115℃)，工作熱損耗大，一般均需要加散熱裝置和留出散熱空間，因而縮小安裝體積，降低成本仍然受限制。目前，除了對負載有特殊控制要求或作變頻，變流用外，作為普通功率設備直接起動開關使用，半導體開關尚無足夠的優勢取代機械式開關。
本發明是對機械觸點式開關和半導體無觸點開關各自特點取長補短的結合。將兩種開關合并為一體，利用二者動作的時間差，以半導體開關無火花放電的優點克服機械開關觸點打火的缺點，同時以機械開關觸點導通壓降接近于零的長處彌補半導體開關導通壓降大，結溫高的短處。這樣構成的無火花開關既無需滅弧設施又無需散熱裝置，可使開關的總體體積縮小，總成體降低，使用壽命提高，同時，與傳統的電磁式機械開關相比還可以帶來節能、減振的效果。
下面以附
圖1為例說明無火花開關的構成原理。
圖1中虛線框內屬于無火花開關的組成部分。其基本構成是將機械開關主觸點J2與主可控硅T2并聯。
工作原理在操開關K未被接通以前，機械開關的電磁線圈J無電，電磁鐵不動作(類似于接觸器的結構)，輔助觸點J1保持常閉狀態，主觸點J2不接通。可控硅觸發單元G雖在工作，但因其輸出的觸發電流被J1所短路，小功率可控硅T1不能被觸發而處于關斷狀態，主可控硅T2也處于關斷狀態，負載無電。當操作開關K接通后，電磁線圈J通電，電磁鐵帶動觸點J1、J2開始吸合。其動作順序是，首先J1斷開，經過一段機械位移后，主觸點J2閉合，電磁鐵吸合完畢。由于機械開關動作速度較慢，整個吸合過程大約需要0.1秒左右。在J1斷開的瞬間，觸發單元G立即將可控硅T1、T2觸發導通。而可控硅的開關速度是極快的，一般均在幾十微秒以內，即在主觸點J2的兩電極遠未靠近之前，主可控硅T2已經導通，將J2兩極間的電壓由原來的電源電壓(220V)降為可控硅T2的導通壓降(0.8～3V)，從而避免3接通時強烈的火花放電。隨后，在J2接通(負載接電完畢，投入運行)以后，由于J2的觸點導通壓降接近于零，使負載電流的絕大部分由J2通過，從而又避免了主可控硅T2結溫的升高。當操作開關K關斷后，電磁線圈J斷電，電磁鐵在彈簧作用下帶動機械觸點開始復位。復位動作的順序與接通時相反，即主觸點J2先斷開，經過一段反向機械位移后，J1閉合。在主觸點J2斷開后，J1尚未閉合前的復位行程時間里，可控硅仍處于導通狀態，即J2兩極間的電壓又處于可控硅的導通壓降，所以不會在J2分斷時產生更強烈的火花放電。待輔助觸點J1最終閉合后，可控硅才被關斷(負載斷電完畢)。
由于這種開關在接通和關斷過程中，可控硅起到了電流旁路作用，從而避免了火花放電發生，無需滅弧罩和與滅弧有關的設施，對觸點材料的要求也可以降低。又由于在接通以后的運行過程，觸點壓降接近于零，負載電流的絕大部分由觸點通過，可控硅通過的電流極小，既使在接通和關斷的動作過程中，可控硅暫時獨立承擔了全部負載電流，但這兩個過程的時間都很短，均在0.1秒左右，可控硅的結溫始終都不會升高，無需散熱裝置。而且，鑒于可控硅承擔額定負載電流的時間很短，可以充分利用可控硅的過載能力，減小可控硅的容量配置，比如額定電流為40A的無火花開關，只需選用20A以上的可硅即可勝任。
圖1中的觸發單元G可以是任何型式的雙向可控硅觸發電路。本人推薦的一種簡便觸發電路如附圖2所示。圖1中的YM是保護可控硅的壓敏電阻。
由上述原理構成的無火花開關，雖然是由兩套開關并用，但由于各自的缺點得到了有效的克服，可以作到總體體積減小，總成本降低，使用壽命提高。這種開關適用于對操作頻率無特殊要求的普通交流單相，交流三相功率設備的直接起動。交流三相無火花開關的組成見附圖3所示。圖3中的電磁線圈J可以是220V型的，也可以是380V型的。接法和普通接觸器線圈的接法相同。
試驗表明，此種開關在額定電流下工作，在105次壽命以內，95％以上的動作不發生火花放電，5％以下的動作只發生極輕微的火花放電。
關于節能和減振的效果。此種開關由于主觸點不發生強烈的火花放電現象，因而可以將主觸點的形狀由常見的平面型改成“V”型，在實現相同導電效果的條件下，可以減小觸點彈簧的壓力，從而減小電磁線圈的吸合功率，帶來節能和減振的效果。以下結合附圖4分析說明其具體原理。
在圖4中，(a1)，(a2)分別為常見平面型觸點示意圖及其接觸受力分析圖，(b1)，(b2)分別為“V”型觸點示圖及其接觸受力分析圖。在圖(a2)中P為動觸點所受的彈簧壓力，它等于動觸點對靜觸點的壓力。“-P”為靜觸點對動觸點的支承反力。由靜力學平衡原理可知|-P|＝|P|。在圖(b1)中，設V型觸點的幾何二面角為a，當觸點接通時，從受力圖b2的靜力平衡分析可知，與彈簧力P相平衡的支承反力“-P”是靜觸點左、右兩接觸面的法向反力的矢量和，即
。假設a＝60。，則有|N1|＝|N2|＝|-P|＝|P|，或|N1|+|N2|＝2|P|，這相當于在彈簧力P的作用下有兩個與|P|相等的平面型觸點。換句話說，采用“V ”型觸點，若達到與平面型觸點同樣大的觸點電流，彈簧力P可以減小一半，從而可以減小電磁線圈的吸合功率，帶來節能和減振的效果。
權利要求
1.一種低壓電器開關。其特征在于將機械觸點式開關與半導體無觸點開關合并組成一體，利用兩種開關動作的時間差，以半導體開關無火花放電的優點克服機械觸點開關產生火花放電的缺點；以機械觸點開關導通壓降接近于零，工作熱損耗小的長處彌補半導體開關導通壓降大，結溫高的短處，構成既無需滅弧設施又無需散熱裝置的無火花開關。
2.根據權利要求1中無火花放電的特征，可將機械開關主觸點的形狀由普通的平面型改成“V”型，如說明書附圖4、(b1)所示，以便減小觸點彈簧，減小電磁鐵的吸合功率，帶來節能、減振的效果。
全文摘要
本發明是對機械觸點式開關和半導體無觸點開關各自特點取長補短的結合。將兩種開關合并為一體，利用二者動作的時間差，以半導體開關無火花放電的優點克服機械開關觸點打火的缺點，同時以機械開關觸點導通壓降接近于零的長處彌補半導體開關導通壓降大，結溫高的短處。這樣構成的無火花開關既無需滅弧設施又無需散熱裝置，可使開關的總體體積縮小，總成本降低，使用壽命提高，同時，與傳統的電磁式機械開關相比還可以帶來節能、減振的效果。
文檔編號H01H9/54GK1164746SQ97104328
公開日1997年11月12日 申請日期1997年5月22日 優先權日1997年5月22日
發明者馬鴻緒 申請人:馬鴻緒