CN101533727B - 一种开关消弧电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种开关消弧电路，包括有主触头，主触头的第一电极端和第二电极端之间并联辅助电路，其特征在于：辅助电路包括辅触头；限流电阻以及包括有第一电压端、第二电压端和控制端的三端可控电路；第一电压端和第一电极端相连，第二电压端和第二电极端相连，控制端和辅触头第一端相连，辅触头第二端经限流电阻和第一电压端相连，当第一电压端和第二电压端加正向电压，且控制端接收触发信号时，可控电路导通；当第一电压端和第二电压端加负向电压，且控制端收触发信号时，可控电路导通；当第一电压端和第二电压端之间加正向或负向电压，而控制端无触发信号时，可控电路截止。与现有技术相比，本发明采用一带控制端的三端可控电路，在辅触头闭合的同时接收触发信号而导通，使得工作电流从可控电路流过，破坏了主触头的起弧条件，有效消除主触头闭合时的电弧；电路结构简单、安装使用方便、消弧效果好，有利于普遍推广使。

Description

一种开关消弧电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种防止开关电器在闭合或断开时拉弧的开关消弧电路及其控制方法。

背景技术

负荷开关、插座、分断器、交流接触器、继电器等是常用的开关电器，这类开关电器多采用机械触点的接触与断开来实现工作电路的导通或分断。但是，上述开关电器的机械触点在闭合和分离的瞬间由于触点间距离很小而电场强度很大，这时便会产生拉弧(放电)现象，频繁拉弧会烧毁开关触头，进而影响开关使用寿命，也降低了电路的可靠性，因此，如何有效熄灭电弧是开关电器在实际应用中需要亟待解决的一个问题。

为了消除开关电器的拉弧现象，现有技术中广泛采用真空灭弧室或SF6灭弧装置来消除电弧，尤其是高压大电流领域，这种灭弧装置虽然克服了打火、拉弧现象，能够达到较好的灭弧效果，但其本身结构复杂，制造成本较高，维修困难，而且开关电器的载流量和使用寿命受到灭弧能力的限制，不利于普遍推广使用。

另一种较为常见的消除拉弧现象的方法是在主开关两端并联一个等效电阻分流电路来实现消弧的目的，如申请号为200810034835.3的中国发明专利《基于可变电容的无弧分断电路及其方法》就公开了一种基于可变电容的无弧分断电路及其方法，包括开关电器的主触头、辅助触点、可变电容、限流电阻，辅助触点、可变电容和限流电阻串联在一起形成辅助通道，辅助通道与主触头并联。在上述专利中，采用了由辅助触点、可变电容和限流电阻串连形成的辅助电路来消除主触头在断开时的电弧，利用可变电容的充电特性来转移电弧能量，使得主触头在最小起弧电压下断开。

但是，由于电容本身除了充电特性之外，同时具有放电的功能，上述专利中的电容对充放电时间的设计要求较高，若在主触头还未完全断开之前已经饱和，则此时电容就会释放电荷，于是，会有部分电能又转移到主触头回路上，当主触头断开时仍会产生电弧，不能达到较好的灭弧效果，也不利于普遍使用；而且，该专利中的辅助电路只能够消除主开关在断开时的电弧，当主开关再次闭合时仍然会产生拉弧现象，因此，不能够同时保证开关在断开和闭合时均能实现消除，灭弧效果不理想，还有待于作进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述的技术现状而提供一种能够保证开关无弧闭合和无弧分断且灭弧效果更佳的开关消弧电路，该开关消弧电路的电路结构简单，有利于普遍推广使用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该开关消弧电路，包括有可串接在直流或交流电路中的开关电器主触头，该主触头具有第一电极端和第二电极端，所述主触头的第一电极端和第二电极端之间还并联有一辅助电路，所述的辅助电路包括有：

一辅触头，该辅触头与所述主触头为具有先后逻辑控制关系的联动开关，所述逻辑控制关系具体为，在合闸时，所述辅触头(K2)先闭合，然后在延迟时间Δt后，令所述主触头(K1)闭合，其中，所述Δt大于主触头(K1)的开关电弧起弧时间；在分闸时，所述主触头(K1)先断开，然后在延迟时间Δt后，令所述辅触头(K2)断开，其中，所述Δt大于主触头(K1)的开关电弧起弧时间；

一限流电阻；以及

一三端可控电路，包括有第一电压端、第二电压端和控制端；

其中，所述可控电路的第一电压端和所述主触头的第一电极端相连，所述可控电路的第二电压端和所述主触头的第二电极端相连，所述可控电路的控制端和所述辅触头的第一端相连，该辅触头的第二端经所述限流电阻和所述可控电路的第一电压端相连，并且，所述可控电路的第一电压端、第二电压端和控制端之间具有如下的逻辑关系：

当所述第一电压端相对于第二电压端加正向电压，且所述控制端同时接收触发信号时，所述的可控电路导通；

当所述第一电压端相对于第二电压端加负向电压，且所述控制端同时接收触发信号时，所述的可控电路导通；

当所述第一电压端和第二电压端之间加正向或负向电压，而所述控制端无触发信号时，所述的可控电路截止；

其特征在于：所述可控电路(A1)包括有电容(C)、延时电阻(R2)、NPN型三极管(BG)、第一稳压管(D1)和第二稳压管(D2)，其中，所述三极管(BG)的基极一路和所述辅触头(K2)的第一端(a)相连，另一路和所述第一稳压管(D1)的阴极相连，所述三极管(BG)的发射极和所述主触头(K1)的第二电极端(P2)相连，该三极管(BG)的集电极一路经依次串接的延时电阻(R2)和电容(C)后和所述第一电极端(P1)相连，该三极管(BG)的集电极另一路和所述第二稳压管(D2)的阴极相连，所述第一稳压管(D1)的阳极和第二稳压管(D2)的阳极共接后和所述主触头(K1)的第二电极端(P2)相连。

所述的辅助电路可以仅包括有一个可控电路，也可以包括有两个或者两个以上多级并联的可控电路，其中，每一所述可控电路的第一电压端和第二电压端分别和所述主触头的第一电极端和第二电极端相连，并且，每一所述可控电路的控制端共接为一点并和所述辅触头的第一端相连。

简单地，所述的可控电路可以为一双向可控硅，该双向可控硅的阳极和所述主触头的第一电极端相连，该双向可控硅的阴极和所述主触头的第二电极端相连，该双向可控硅的控制端和所述辅触头的第一端相连。

作为优选，也可以将双向可控硅用两个单向可控硅替代，所述可控电路包括有第一单向可控硅和第二单向可控硅，其中，所述第一单向可控硅的阳极和所述主触头的第一电极端相连，该第一单向可控硅的阴极和所述主触头的第二电极端相连，该第一单向可控硅的控制端和所述辅触头的第一端相连；所述第二单向可控硅的阳极和所述主触头的第二电极端相连，该第二单向可控硅的阴极和所述主触头的第一电极端相连，该第二单向可控硅的控制端和所述辅触头的第一端相连。

本发明的开关消弧电路中的主触头和辅触头为同步或异步动作的联动开关，该主触头和辅触头的控制方法如下，包括合闸和分闸过程，其特征在于：

合闸过程为：

令所述辅助电路的辅触头先闭合；

然后，在延迟时间Δt后，令所述的主触头闭合，其中，Δt大于所选主触头的开关电弧起弧时间；

分闸过程为：

令所述主触头先断开；

然后，在延迟时间Δt后，令所述辅触头断开，其中，Δt大于所选主触头的开关电弧起弧时间。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用了辅助电路来消除开关电器在断开或闭合时产生的电弧，该辅助电路同时适用于交流电路和直流电路，无需设置专门的灭弧装置即可达到灭弧的目的，使得开关电器本身的结构简单，开关电器的载流量不会受到灭弧装置的限制，提高性能的同时也降低了制造成本；

其次，辅助电路中采用了一带控制端的三端可控电路，该可控电路在控制端和辅触头的第一端相连，可控电路在控制端的作用下实现导通和截止；当辅触头先闭合时，控制端即接收到触发信号并进而导通该可控电路，可控电路的导通使得直接加在主触头两端的工作电流从可控电路流过，破坏了主触头的起弧条件，可以有效消除主触头闭合时的电弧，而当主触头先断开时，由于辅触头仍然闭合，可控电路保持导通，仍然破坏主触头的起弧条件，同样可消除主触头在断开时的电弧，而且，可控电路自由在辅触头闭合时才导通，保证了电路工作的可靠性；

另外，在本发明中，由于辅触头的其中一端是和可控电路的控制端相连的，辅触头的两端并没有直接加工作电压，在有效地消除主触头在开闸和合闸时的拉弧现象的前提下，当辅触头闭合或断开时，该辅触头也不会产生拉弧现象，因此，能够同时保证主触头和辅触头的使用寿命，提高了产品性能，而且，本发明的消弧电路结构简单、安装使用方便、消弧效果好，有利于普遍推广使。

附图说明

图1为本发明的电路原理框图之一；

图2为本发明的电路原理框图之二；

图3为本发明实施例一的电路结构图；

图4为本发明实施例二的电路结构图；

图5为本发明实施例三的电路结构图；

图6为本发明实施例四的电路结构图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1、图2所示，为本发明的电路原理框图，该开关消弧电路同时适用于直流电路和交流电路，包括有串接在工作电路中的开关电器主触头K1，该主触头K1具有第一电极端P1和第二电极端P2，在主触头K1的第一电极端P1和第二电极端P2之间还并联有一辅助电路B，参见图1，该辅助电路B包括有

一辅触头K2，该辅触头和主触头为具有先后逻辑控制关系的联动开关；

一限流电阻R1；以及

一第一级可控电路A1；

其中，第一级可控电路A1为包括有第一电压端t11、第二电压端t12和控制端ctr1的三端电路，第一电压端t11和主触头K1的第一电极端P1相连，第一级可控电路A1的第二电压端t12和主触头K1的第二电极端P2相连，第一级可控电路A1的控制端ctr1和辅触头K2的第一端a相连，该辅触头K2的第二端b经限流电阻R1和第一级可控电路A1的第一电压端t11相连，并且，第一级可控电路A1的第一电压端t11、第二电压端t12和触发端ctr1之间满足如下的逻辑关系：

当第一电压端t11相对于第二电压端t12加正向电压，且控制端ctr1同时接收到触发信号时，第一级可控电路A1导通；

当第一电压端t11相对于第二电压端t12加负向电压，且控制端ctr1同时接收到触发信号时，第一级可控电路A1也导通；

当第一电压端t11和第二电压端t12之间加正向或负向电压，而控制端ctr1无触发信号时，第一级可控电路A1截止。

为能够保证有效地消除主触头的电弧，主触头和辅触头组成的联动开关还必须满足以下的控制逻辑关系：

(I)合闸过程：

辅助电路的辅触头先闭合，可控电路在控制端同时得到一经限流电阻限制的微弱触发电流信号，该可控电路导通；

然后，在延迟时间Δt后，主触头再闭合，其中，Δt大于所选主触头的开关电弧起弧时间；

(II)分闸过程：

主触头先断开，此时，辅触头仍然闭合，可控电路继续保持导通；

然后，在延迟时间Δt后，令辅触头断开，可控电路的控制端无触发信号，该可控电路截止；其中，Δt大于所选主触头的开关电弧起弧时间。

当开关电器的工作电路为高电压强电流时，为了防止大电流烧坏可控电路中的元器件，可以在第一级的第一级可控电路A1基础上再并联多个次级可控电路A2，参见图2，其中，次级可控电路A2同样具有第一电压端t21、第二电压端t22和控制端ctr2，并且次级可控电路A2的三端之间具有和第一级可控电路A1相同的逻辑关系，次级可控电路A2的具体电路连接结构可以和第一级可控电路A1完全相同，也可以有所不同；次级可控电路A2的第一电压端t21、第二电压端t22分别对应地连接在第一级可控电路A1的第一电压端t11、第二电压端t12上，而次级可控电路A2的控制端ctr2和第一可控电路A1的控制端ctr1共接为一点并连接在辅触头K2的第一端a。这里，三端可控电路可以选择满足上述逻辑关系的现有元器件，如双向可控硅、单向可控硅或三极管，也可以是根据上述逻辑关系而构建的功能电路。

实施例一，如图3所示：

该消弧电路具体包括有主触头K1、辅触头K2、限流电阻R1和双向可控硅BCR，其中，主触头K1具有第一电极端P1和第二电极端P2，双向可控硅BCR的阳极和主触头K1的第一电极端P1相连，双向可控硅BCR的阴极和主触头K1的第二电极端P2相连，双向可控硅BCR的控制端和辅触头K2的第一端a相连，辅触头K2的第二端b经限流电阻R1和主触头K1的第一电极端P1相连。

工作原理：

合闸过程：辅触头K2先闭合，此时，双向可控硅BCR的控制端获得经限流电阻R1限流后的微弱电流信号，双向可控硅BCR导通，第一电极端P1与第二电极端P2之间的电压近似为零(忽略双向可控硅BCR的管压降)，加在主触头K1两端的工作电流经双向可控硅BCR流过，破坏主触头K1的拉弧条件，经过Δt后(Δt为主触头K1的起弧时间)，主触头K1无弧闭合。

分闸过程：主触头K1先断开，此时，辅触头K2仍然闭合，双向可控硅BCR保持导通状态，加在主触头K1两端的工作电流仍经双向可控硅BCR流过，主触头K1无弧断开，经过Δt后(Δt为主触头K1的起弧时间)，辅触头K2断开，双向可控硅BCR截止。

由于双向可控硅BCR的控制端在接收触发信号后，无论可控硅的阳极和阴极之间是加正向电压或是反向电压，都可以保证导通，因此，可以本实施例可以同时适用于直流电路或交流电路中。

实施例二，如图4所示：

本实施例和实施例一的不同之处在于将双向可控硅BCR替换成两个并联设置的第一单向可控硅SCR1和第二单向可控硅SCR2，其中，第一单向可控硅SCR1的阳极和主触头K1的第一电极端P1相连，第一单向可控硅SCR1的阴极和主触头K1的第二电极端P2相连，第一单向可控硅SCR1的控制端和辅触头K2的第一端a相连；第二单向可控硅SCR2的阳极和主触头K1的第二电极端P2相连，第二单向可控硅SCR2的阴极和主触头K1的第一电极端P1相连，第二单向可控硅SCR2的控制端和辅触头K2的第一端a相连。

本实施例的电路工作原理和实施例一的基本相同，仅是将一个双向可控硅的控制功能通过两个并联的单向可控硅来实现，在此不做赘述。

实施例三，如图5所示：

该消弧电路包括有主触头K1、辅触头K2、限流电阻R1、电容C、延时电阻R2、NPN型三极管BG、第一稳压管D1和第二稳压管D2，其中，主触头K1具有第一电极端P1和第二电极端P2，三极管BG的基极一路和辅触头K2的第一端a相连，另一路和第一稳压管D1的阴极相连，三极管BG的发射极和主触头K1的第二电极端P2相连，三极管BG的集电极一路和延时电阻R2的一端相连，该延时电阻R2的另一端经电容C后和主触头K1的第一电极端P1相连，三极管BG的集电极另一路和第二稳压管D2的阴极相连，第一稳压管D1的阳极和第二稳压管D2的阳极共接后和主触头K1的第二电极端P2相连。

工作原理：

合闸过程：当第一电极端P1相对于第二电极端P2加正向电压时，辅触头K2先闭合，加在第一电极端P1和第二点极端P2的工作电流经限流电阻R1和辅触头K2限流后并经过第一稳压管D1的稳压，NPN型三极管BG导通(若为PNP型三极管，则三极管截止)，此时，电容C的一端通过延时电阻R2和三极管BG放电，而该电容C和第一电极端P1相连的另一端同时充电；经过Δt后(Δt为主触头K1的起弧时间)，主触头K1闭合，在此过程中，由于电容C的充电作用，破坏了主触头K1的拉弧条件，故主触点K1在近似无弧或低弧状态下闭合。

当第一电极端P1相对于第二电极端P2加反向电压时，辅触头K2先闭合，NPN型三极管BG进入反向截止状态(若为PNP型三极管则导通)，此时，工作电流通过第二稳压管D2和延时电阻R2向电容C充电；经过Δt后(Δt为主触头K1的起弧时间)，主触头K1闭合，在此过程中，由于电容C的充电作用，破坏了主触头K1的拉弧条件，于是，主触头K1在近似无弧或低弧状态下闭合。

分闸过程：当第一电极端P1相对于第二电极端P2加正向电压时，主触头K1先断开，此时辅触头K2仍处于闭合状态，在NPN型三极管BG导通的状态下，由于电容C的充电作用，破坏主触头K1的拉弧条件，故主触头K1在近似无弧或低弧状态下断开；经过Δt后(Δt为主触头K1的起弧时间)，辅触头K2在近似无弧状态下断开，同时电容C停止充放电；

当第一电极端P1相对于第二电极端P2加反向电压时，主触头K1先断开，辅触头K2仍处于闭合状态，由于此时NPN型三极管BG为截止状态，工作电流仍然通过第二稳压管D2和延时电阻R2向电容C充电，由于电容C的充电作用，破坏主触头K1的拉弧条件，故主触头K1在近似无弧或低弧状态下断开；经过Δt后(Δt为主触头K1的起弧时间)，辅触头K2同样在近似无弧状态下断开。

实施例四，如图6所示：

本实施例是对实施例一的改进，本实施例包括有第一双向可控硅BCR1和第二双向可控硅BCR2两个可控硅，其中，第二双向可控硅BCR2的阳极和第一双向可控硅BCR1的阳极共接并和第一电极端P1相连，第二双向可控硅BCR2的阴极和第一双向可控硅BCR1的阴极共接并和第二电极端P2相连，而第二双向可控硅BCR2的控制端和第一双向可控硅BCR1的控制端共接后连接到辅触头K2的第一端a。

该电路适用于大电压强电流的工作电路中，为达到快速消弧的目的，通过两级或者两级以上并联双向可控硅来实现消除主触头的电弧，以达到较好的消弧效果。

Claims (3)

1.一种开关消弧电路，包括有可串接在直流或交流电路中的开关电器主触头(K1)，该主触头(K1)具有第一电极端(P1)和第二电极端(P2)，所述主触头(K1)的第一电极端(P1)和第二电极端(P2)之间还并联有一辅助电路(B)，所述的辅助电路(B)包括有：

一辅触头(K2)，该辅触头与所述主触头为具有先后逻辑控制关系的联动开关，所述逻辑控制关系具体为，在合闸时，所述辅触头(K2)先闭合，然后在延迟时间Δt后，令所述主触头(K1)闭合，其中，所述Δt大于主触头(K1)的开关电弧起弧时间；在分闸时，所述主触头(K1)先断开，然后在延迟时间Δt后，令所述辅触头(K2)断开，其中，所述Δt大于主触头(K1)的开关电弧起弧时间；

一限流电阻(R1)；以及

一三端可控电路(A1)，包括有第一电压端(t11)、第二电压端(t12)和控制端(ctr1)；

其中，所述可控电路的第一电压端(t11)和所述主触头(K1)的第一电极端(P1)相连，所述可控电路的第二电压端(t12)和所述主触头(K1)的第二电极端(P2)相连，所述可控电路的控制端(ctr1)和所述辅触头(K2)的第一端(a)相连，该辅触头(K2)的第二端(b)经所述限流电阻(R1)和所述可控电路的第一电压端(t11)相连，并且，所述可控电路的第一电压端(t11)、第二电压端(t12)和控制端(ctr1)之间具有如下的逻辑关系：

当所述第一电压端(t11)相对于第二电压端(t12)加正向电压，且所述控制端(ctr1)同时接收触发信号时，所述的可控电路导通；

当所述第一电压端(t11)相对于第二电压端(t12)加负向电压，且所述控制端(ctr1)同时接收触发信号时，所述的可控电路导通；

当所述第一电压端(t11)和第二电压端(t12)之间加正向或负向电压，而所述控制端(ctr1)无触发信号时，所述的可控电路截止；

其特征在于：所述可控电路(A1)包括有电容(C)、延时电阻(R2)、NPN型三极管(BG)、第一稳压管(D1)和第二稳压管(D2)，其中，所述三极管(BG)的基极一路和所述辅触头(K2)的第一端(a)相连，另一路和所述第一稳压管(D1)的阴极相连，所述三极管(BG)的发射极和所述主触头(K1)的第二电极端(P2)相连，该三极管(BG)的集电极一路经依次串接的延时电阻(R2)和电容(C)后和所述第一电极端(P1)相连，该三极管(BG)的集电极另一路和所述第二稳压管(D2)的阴极相连，所述第一稳压管(D1)的阳极和第二稳压管(D2)的阳极共接后和所述主触头(K1)的第二电极端(P2)相连。

2.根据权利要求1所述的开关消弧电路，其特征在于：所述的辅助电路(B)包括有至少两个所述的三端可控电路，其中，每一所述可控电路的第一电压端和第二电压端分别和所述主触头的第一电极端和第二电极端相连，并且，每一所述可控电路的控制端共接为一点并和所述辅触头的第一端相连。

3.一种如权利要求1或2所述的开关消弧电路的控制方法，包括合闸和分闸过程，其特征在于：

合闸过程为：

令所述辅助电路的辅触头先闭合；

然后，在延迟时间Δt后，令所述的主触头闭合，其中，Δt大于所选主触头的开关电弧起弧时间；

分闸过程为：

令所述主触头先断开；

然后，在延迟时间Δt后，令所述辅触头断开，其中，Δt大于所选主触头的开关电弧起弧时间。

Images