CN112753085B - 灭弧装置 - Google Patents

Abstract

一种灭弧装置，特别是一种适合于对接触器(继电器)等机械开关(K)灭弧的灭弧装置，包括第一电容(C1)、一检测开关(A)，检测开关(A)与第一电容(C1)连接，检测开关(A)用于检测负载(M)与机械开关(K)的共同端的电压的变化速率，变化速率达到检测开关(A)开启值，检测开关(A)导通，第一电容(C1)通过检测开关(A)对所述负载(M)供电。灭弧装置具有抗电压波动能力强、灭弧效果好的优点。

Description

灭弧装置

技术领域

本发明涉及一种灭弧装置，特别是一种适合于对接触器(继电器)等机械开关灭弧的灭弧装置，也可用于其它断点(如熔断体的熔断、插头与插座之间的断点、导线断点)的灭弧。

背景技术

目前在新能源汽车、轨道交通、舰船、自动化控制等电控***中，普遍使用接触器(继电器)等机械开关对负载进行频繁接通和分断控制，由于机械开关存在分断电弧，特别是直流电，由于其没有零点，分断电弧更大，存在机械开关电寿命短的缺点，随着机械开关的分断电压和分断电流提升，其电寿命将大幅度降低。

发明内容

本发明的目的在于解决现有电控***中机械开关的电寿命短的问题，提供一种通过检测机械开关与负载的共同端电压变化速率的利用电容进行灭弧的灭弧装置。

实现本发明的目的是通过以下技术方案来达到的：

一种灭弧装置，如图1所示，包括第一电容C1、检测开关A，检测开关A与第一电容C1连接，检测开关A用于检测负载M与机械开关K的共同端的电压的变化速率，变化速率达到检测开关A开启值，检测开关A导通，第一电容C1通过检测开关A对负载M供电。

工作原理：机械开关K分断过程中，当机械开关K的触点分断瞬间，负载M与机械开关K的共同端的电压的变化速率(即下降速率；当检测开关A的第二电容C2改为与机械开关K的电源端的电源连接时，为上升速率)发生突变，第一电容C1通过检测开关A对负载M供电(供电能量可以由第一电容C1预先储存的电荷提供，可以把第一电容C1接地端改为与机械开关K的电源端的电源连接，由该电源通过第一电容C1、检测开关A提供)，负载M两端的电压迅速上升，机械开关K两端电位差迅速下降，达到对机械开关灭弧的目的。

本发明设计合理，其利用检测开关检测电压的变化速率进行灭弧，具有抗电压波动能力强、灭弧准确性高、灭弧效果好的优点。

附图说明

图1是本发明灭弧装置电路原理图。

图2是本发明灭弧装置实施例一电路原理图。

图3是本发明灭弧装置实施例二电路原理图之一。

图4是本发明灭弧装置实施例二电路原理图之二。

图5是本发明灭弧装置实施例三电路原理图之一。

图6是本发明灭弧装置的检测开关之延时单元电路原理图之一。

图7是本发明灭弧装置的检测开关之延时单元电路原理图之二。

图8是本发明灭弧装置的检测开关之晶闸管等效电路电路原理图。

图9是本发明灭弧装置的实施例三电路原理图之二。

图10是本发明灭弧装置实施例四示意图。

图11是本发明灭弧装置实施例五电路原理图。

图12是本发明灭弧装置实施例六示意图。

图13是未采用本发明灭弧装置负载两端电压波形图之一。

图14是采用本发明灭弧装置负载两端电压波形图之二。

图15是采用本发明灭弧装置负载两端电压波形图之三。

图16是采用本发明灭弧装置负载两端电压波形图之四。

具体实施方式

本发明灭弧装置的实施例一，如图2所示：

一种灭弧装置，包括第一电容C1、检测开关A，检测开关A与第一电容C1连接，检测开关A用于检测负载M的两端的电压的变化速率(即负载M与机械开关K的共同端相对于负载M地端电压的变化速率)，负载M两端的电压的变化速率(下降速率)达到检测开关A开启值，检测开关A导通，第一电容C1通过检测开关A对负载M供电；

还包括一充电单元B，充电单元B由第一二极管D1、第一限流元件R1(电阻)串联组成；

检测开关A：为半控型开关，包括第二电容C2、可控型器件SCR1、第二二极管D2(选项)，负载M两端的电压通过第一电容C1、第二二极管D2、第二电容C2驱动可控型器件SCR1导通；检测开关A的工作能量、电压信号由第一电容C1提供；第二二极管D2、第二电容C2的共同端与第一二极管D1、第一限流元件R1的共同端连接，第三二极管D3(选项)与可控型器件SCR1的触发极和阴极连接。

工作原理：机械开关K与负载M串联，机械开关K闭合，负载M两端的电压通过充电单元B对第一电容C1充电，当机械开关K出现闭合弹跳时或开关K分断时，第一电容C1通过第二二极管D2、第二电容C2驱动可控型器件SCR1导通，第一电容C1通过可控型器件SCR1对负载M供电，负载M两端的电压迅速上升，机械开关K两端电位差迅速下降，达到机械开关灭弧的目的。

本实施例，具有使用元器件数量少，电路简单的优点。

本发明灭弧装置的实施例二，如图3所示：

一种灭弧装置，包括第一电容C1、检测开关A，检测开关A与第一电容C1连接，检测开关A用于检测负载M两端的电压，负载M两端的电压的变化速率(下降速率)达到检测开关A开启值，检测开关A导通，第一电容C1通过检测开关A对负载M供电；

还包括一充电单元B，充电单元B由第一二极管D1(选项)、第一限流元件R1(电阻)串联组成。

检测开关A：为半控型开关，包括第二电容C2、可控型器件SCR1、第二限流元件R2(电阻，选项)、第二二极管D2(选项)，为三端电路(可作为多路机械开关复用第一电容C1用于多路机械开关灭弧的选择开关)，第二电容C2、由第二限流元件R2与第二二极管D2组成的并联电路、可控型器件SCR1的触发极串联，检测开关A的第三端3也可以改为与第二端2连接，作为二端电路(检测开关A的工作能量、电压信号由第一电容C1提供)，第三二极管D3(选项)与可控型器件SCR1的触发极和阴极连接。

工作原理：机械开关K闭合，负载M两端的电压通过充电单元B对第一电容C1充电，负载M两端的电压对第二电容C2充电，当机械开关K出现闭合弹跳时或开关K分断时，第二电容C2驱动可控型器件SCR1导通，第一电容C1通过可控型器件SCR1对负载M供电，负载M两端的电压迅速上升，机械开关K两端电位差迅速下降，达到机械开关灭弧的目的。

本实施例，第一电容C1的电源地端也可以改为与机械开关K的电源端的电源连接(如图4所示)，第三限流元件R3(电阻)用于对第一电容C1放电，充电单元B则变为放电单元B，当开关K出现闭合弹跳时(在弹跳闭合期间，第一电容C1通过机械开关K、放电单元B快速放电)或开关K分断时，第二电容C2驱动可控型器件SCR1导通，电源通过第一电容C1、可控型器件SCR1对负载M供电。

本发明灭弧装置的实施例三，如图5所示：

一种灭弧装置，包括第一电容C1、检测开关A，检测开关A与第一电容C1连接，检测开关A用于检测负载M两端的电压，负载M两端的电压的变化速率(下降速率)达到检测开关A开启值，检测开关A导通，第一电容C1通过检测开关A对负载M供电；

检测开关A：为半控型开关，其由第二电容C2、可控型器件SCR1、延时单元C组成，为二端电路，检测开关A的工作能量、电压信号由第一电容C1提供；检测开关A的第三端3也可以改为与地连接，作为三端电路(当为三端电路时，第一电容C1的接地端可以改为与机械开关K的电源端的电源连接)，电压信号通过第二电容C2传递至延时单元C，延时单元C驱动可控型器件SCR1导通。

延时单元C：如图6所示，由供电电路(第五限流元件R5、第五稳压器件Z5)、延时电路(晶体管Q1、半导体器件Z7、第四电容C4)、半控型开关(晶闸管SCR2，其也可以采用如图8所示的电路替代)电路组成，第一电容C1提供的电源通过第五限流元件R5限流，第五稳压器件Z5稳压为延时电路提供工作能量，第二电容C2、第二限流元件R2(电阻)与第二二极管D2组成的并联电路、延时单元C的输入回路串联，为增加驱动力，也可以采用图7的电路，注：图6、图7、图8所示的电路为优选例，也可以采用其它数字电路。

工作原理：机械开关K与负载M串联，机械开关K闭合，负载M两端的电压通过检测开关A(通过其内部电路，也可以增加充电单元B，可参考图3)对第一电容C1充电，负载M两端的电压对第二电容C2充电，当机械开关K分断过程中，第二电容C2驱动半控型开关SCR2导通，通过延时电路驱动可控型器件SCR1导通(延时时间要大于100微秒，使得机械开关K的触点间有一定的开距)，第一电容C1通过可控型器件SCR1对负载M供电，负载M两端的电压迅速上升，机械开关K两端电位差迅速下降，达到机械开关灭弧的目的。

在高电压大电流场合，为进一步提升灭弧稳定性，可采用如图9所示电路：

其在图5的基础上，还包括第三电容C3、第四限流元件R4(电阻)、第一充电单元B1(由第一二极管D1与第一限流元件R1串联组成；或二者选一)、第一稳压器件Z1(选项)、第二充电单元B2(选项，由第十限流元件、第十二极管串联组成，或二者选一)，第三电容C3、第四限流元件R4组成第一串联电路；第一充电单元B1、第一电容C1组成第二串联电路；第一电容C1、检测开关A、第三电容C3组成第三串联电路，负载M两端的电压利用第一串联电路对第三电容C3充电，负载M两端的电压利用第二串联电路对第一电容C1充电；第三电容C3、第二充电单元B2、第一电容C1组成第四串联电路，负载M两端的电压利用第四串联电路对第一电容C1、第三电容C3充电。第一稳压器件Z1与第三电容C3并联，在机械开关K分断过程中，第三串联电路对负载M供电。

第三电容C3并联的第九二极管D9，第一电容C1并联的第八二极管D8用于形成电容的放电回路。

本实施例，第三电容C3的容量(为节约体积，减低成本可采用电解电容)大于第一电容C1的容量，本实施例的检测开关A也可以应用于本发明实施例二。

本实施例，采用较小容量的第一电容C1也能达到稳定的灭弧效果，尤其适合于高电压大电流的场合，具有成本低、体积小、灭弧稳定的优点。

本发明灭弧装置的实施例四，如图10所示：

为方便使用，产品认证，标准化批量生产，对以上所述的实施例，采用绝缘材料封装成器件(其具体外形可以根据需要灵活设计)；当采用以上实施例第一电容C1的接地端改为与机械开关K的电源端的电源连接时，增加一引脚即可。

以上实施例，灭弧装置为二端电路、或三端电路，具有使用方便的优点。

本发明灭弧装置的实施例五，如图11所示：

一种灭弧装置，包括第一电容C1、检测开关A、控制单元D、第一开关S1(半导体开关，半控型器件，单向晶闸管)，检测开关A与第一电容C1连接，检测开关A用于检测负载M两端的电压，负载M两端的电压的变化速率(下降速率)达到检测开关A开启值，检测开关A导通，然后控制单元D控制第一开关S1导通，第一电容C1通过检测开关A对负载M供电；在机械开关K分断过程中，且在机械开关的触点分断100微秒后(选项)，第一开关S1导通，第一电容C1、第一开关S1、检测开关A组成串联电路用于对负载M供电。

检测开关A：为半控型开关，采用可控型器件SCR1与第二电容C2组成，为三端电路(第二电容C2的一端也可以改为与机械开关K的电源端的电源连接)，建议采用图3、图4所示的检测开关A，用于多路机械开关灭弧选择开关。为防止可控型器件SCR1损坏影响其它负载工作，并提升可控型器件SCR1工作的可靠性，可控型器件SCR1串联第四二极管D4(电路设计为第四二极管D4工作可靠性要高于可控型器件SCR1，为选项)。

第一电容C1与第一开关S1组成的串联电路与检测开关A之间，连接一用于检测开关A导通的光耦检测单元(由第十一电阻R11与光耦OPT1串联组成；其电源由机械开关K的电源端的电源提供，也可以改为由第一电容C1提供；光耦OPT1输出信号传递至控制单元D)，检测开关A还连接第五电容C5，第二电容C2驱动可控型器件SCR1(半控型器件)导通，一电源(其电源由机械开关K的电源端的电源提供，也可以改为由第一电容C1提供)通过第五电容C5、可控型器件SCR1对负载M供电，通过第五电容C5的峰值电流需大于可控型器件SCR1的维持电流，然后第五电容C5快速进入高阻态，由于光耦检测单元对可控型器件SCR1施加了电压，可控型器件SCR1能持续保持二毫秒左右导通状态，方便这个期间控制单元D控制第一开关S1导通。

工作原理：机械开关K闭合，负载M两端的电压对第二电容C2充电，当机械开关K分断过程中，第二电容C2驱动可控型器件SCR1导通，然后控制单元D控制第一开关S1导通(第一开关S1在可控型器件SCR1导通后要大于100微秒导通，使得机械开关K的触点间有一定的开距)，第一电容C1、第一开关S1、第四二极管D4(选项)、检测开关A组成的串联电路对负载M供电，负载M两端的电压迅速上升，机械开关K两端电位差迅速下降，达到机械开关灭弧的目的。

本实施例，控制单元D用于对第一电容C1充电，或放电，或充电(反向预先充电，当第一电容C1与PA端连接时)及放电；PA端可以与机械开关K的电源端的电源连接，机械开关、检测开关、负载数量为一，也可以为二，或二以上，共用第一电容C1、第一开关S1、控制单元D，可以对多路开关灭弧及管理。

本实施例，采用较小容量的第一电容C1也能达到稳定的灭弧效果，尤其适合于高电压大电流的场合，具有成本低、灭弧稳定的优点。

本发明灭弧装置的实施例六，如图12所示：

对以上所述灭弧装置实施例五放置一外壳内，作为一通用性强的产品，通过端子与外部各路机械开关、上位机等连接，方便安全认证，普及推广使用，其具体外形可以根据需要灵活设计。

以上实施例，利用检测开关A检测负载M与机械开关K的共同端的电压的变化速率，由于电源的电压波动或纹波相对于机械开关K分断瞬间引起的电压变化速率缓慢得多，第二电容C2呈现为高阻抗，无法满足可控型器件SCR1的驱动电流要求，本发明，尤其适合于电动汽车等电池供电***、或交流整流供电***等电压波动大或纹波大的场合使用。

以上实施例，检测开关A的电压信号也可以采用由机械开关K的电源端的电源提供(即机械开关K两端电压，检测电压的上升速率)，但非优选技术方案，因为检测开关A输入回路会影响机械开关K绝缘耐压，同时在机械开关K常开状态下，检测开关A输入回路与负载M为串联关系，也存在一定的安全风险，优选例为采用检测开关A检测负载M两端的电压(也可以通过第一电容C1检测负载M两端的电压，即检测机械开关K与负载M共同端对第一电容C1之间的电压)，其最大优势还有方便抑制机械开关K闭合时对检测开关A的电流冲击，同时可以不影响到检测电压的变化速率的分辨率。

以上实施例，第一电容C1与检测开关A组成一串联电路，负载M与串联电路并联，检测开关A的输入回路与检测开关A的输出回路非电气隔离；检测开关A为半控型开关，其包括可控型器件SCR1(为半控型器件，单向晶闸管，也可以采用全控型半导体器件组成的半控型开关替代，如晶闸管等效电路)。

以上实施例，本发明灭弧装置的检测开关A采用第二电容、半导体器件(二极管、半控型器件)、电阻(选项)组成，为二端电路，或为三端电路，检测开关的供电电源由第一电容，第二电容提供，由负载两端电压非隔离提供；具有电路简单、成本低、过载能力强的优点；本发明负载的定义也可以包括为工作负载连接的线路。

以上实施例，检测开关A通过第二电容C2耦合输入信号，利用可控型器件SCR1的触发极串联第二电容C2与负载M(地端)连接，或与机械开关K的电源端的电源连接，具有无泄漏电流、损耗小的优点。

图13是未采用本发明灭弧装置负载M两端的电压波形图；

图14是采用本发明灭弧装置实施例二，且第一电容C1采用小容量电容时负载M两端的电压波形图；

图15是采用本发明灭弧装置实施例二，且第一电容C1采用大容量电容时负载M两端的电压波形图；

图16是采用本发明灭弧装置实施例三，或实施例四，且第一电容C1采用小容量电容时负载M两端的电压波形图；

根据波形图对比很明显观察出本发明不同实施例的技术效果，本发明灭弧装置可大大缩短燃弧时间，甚至可实现机械开关无电弧分断的目的。

综上所述，本发明具有抗电压波动能力强、灭弧效果好的优点。

Claims (25)

1.一种灭弧装置，其特征是：包括第一电容、一检测开关，所述检测开关与所述第一电容连接，所述检测开关用于检测负载与机械开关的共同端的电压的变化速率，所述变化速率达到所述检测开关开启值，所述检测开关导通，所述第一电容通过所述检测开关对所述负载供电，所述变化速率为下降速率。

2.根据权利要求1所述的灭弧装置，其特征是：所述检测开关为半控型开关；所述检测开关为二端电路，或为三端电路。

3.根据权利要求1所述的灭弧装置，其特征是：所述检测开关的输入回路与所述检测开关的输出回路非电气隔离。

4.根据权利要求1所述的灭弧装置，其特征是：所述第一电容与所述机械开关的电源端的电源连接。

5.根据权利要求1所述的灭弧装置，其特征是：所述电压为所述负载两端的电压，或所述共同端与所述第一电容之间的电压。

6.根据权利要求5所述的灭弧装置，其特征是：所述检测开关包括第二电容、一可控型器件，所述电压通过所述第二电容驱动所述可控型器件导通；或所述电压通过所述第一电容、所述第二电容驱动所述可控型器件导通，所述检测开关的工作能量、电压信号由所述第一电容提供。

7.根据权利要求5所述的灭弧装置，其特征是：所述检测开关由第二电容、电阻、半导体器件组成。

8.根据权利要求1所述的灭弧装置，其特征是：所述检测开关包括一可控型器件、第二电容，所述电压对所述第二电容充电，在所述变化速率达到所述检测开关开启值时，所述第二电容驱动所述可控型器件导通。

9.根据权利要求8所述的灭弧装置，其特征是：所述可控型器件为半控型器件。

10.根据权利要求8所述的灭弧装置，其特征是：还包括由第二限流元件、第二二极管组成的并联电路，所述第二电容、所述并联电路、所述可控型器件的触发极串联。

11.根据权利要求1所述的灭弧装置，其特征是：所述电压为所述负载两端的电压，所述检测开关包括一可控型器件、第二电容，所述第一电容通过所述第二电容驱动所述可控型器件导通；还包括一充电单元，所述充电单元由第一二极管、第一限流元件串联组成，所述电压通过所述充电单元对所述第一电容充电；所述检测开关还包括第二二极管，所述第一电容通过所述第二二极管、所述第二电容驱动所述可控型器件导通；所述第二二极管、所述第二电容的共同端与所述第一二极管、所述第一限流元件的共同端连接。

12.根据权利要求1至10任一项所述的灭弧装置，其特征是：还包括一用于对所述第一电容充电的充电单元。

13.根据权利要求12所述的灭弧装置，其特征是：所述充电单元为第一限流元件，或由第一二极管、第一限流元件串联组成，所述电压通过所述充电单元对所述第一电容充电。

14.根据权利要求12所述的灭弧装置，其特征是：所述灭弧装置采用绝缘材料封装成器件。

15.根据权利要求1至5任一项所述的灭弧装置，其特征是：所述检测开关由第二电容、一可控型器件、一延时单元组成，所述电压通过所述第二电容传递至所述延时单元，所述延时单元驱动所述可控型器件导通。

16.根据权利要求15所述的灭弧装置，其特征是：所述延时单元由供电电路、延时电路、半控型开关电路组成，所述供电电路由第五限流元件、第五稳压器件组成，所述第一电容提供的工作电源通过所述第五限流元件限流，所述第五稳压器件稳压为所述延时电路提供工作能量。

17.根据权利要求15所述的灭弧装置，其特征是：还包括第三电容、第四限流元件、第一充电单元，所述电压为所述负载两端的电压，所述第三电容、所述第四限流元件组成第一串联电路；所述第一充电单元、所述第一电容组成第二串联电路；所述第一电容、所述检测开关、所述第三电容组成第三串联电路，所述电压利用所述第一串联电路对所述第三电容充电，所述电压利用所述第二串联电路对所述第一电容充电，在所述机械开关分断过程中，所述第三串联电路对所述负载供电。

18.根据权利要求17所述的灭弧装置，其特征是：还包括第一稳压器件，所述第一稳压器件与所述第三电容并联，所述第三电容并联一二极管。

19.根据权利要求18所述的灭弧装置，其特征是：还包括第二充电单元，所述第三电容的容量大于所述第一电容的容量，所述第三电容、所述第二充电单元、所述第一电容组成第四串联电路，所述电压利用第四串联电路对所述第一电容、所述第三电容充电。

20.根据权利要求15所述的灭弧装置，其特征是：所述灭弧装置采用绝缘材料封装成器件。

21.根据权利要求1至10任一项所述的灭弧装置，其特征是：还包括一控制单元、第一开关，所述第一电容、所述第一开关、所述检测开关组成串联电路，所述控制单元在所述机械开关分断过程中，所述串联电路用于对所述负载供电。

22.根据权利要求21所述的灭弧装置，其特征是：所述灭弧装置放置一外壳内，通过端子与所述机械开关连接。

23.根据权利要求21所述的灭弧装置，其特征是：所述第一电容与所述第一开关组成的串联电路与所述检测开关之间，连接一用于所述检测开关导通的光耦检测单元，所述光耦检测单元的输出信号传递至所述控制单元，所述检测开关还连接第五电容，一电源通过所述第五电容、所述检测开关对所述负载供电。

24.根据权利要求1至5任一项所述的灭弧装置，其特征是：还包括一放电单元，所述第一电容与所述机械开关的电源端的电源连接，所述第一电容通过所述机械开关、所述放电单元放电。

25.根据权利要求24所述的灭弧装置，其特征是：所述放电单元由第一二极管、第一限流元件串联组成。