专利名称：电流零点附近断电交流电力开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种交流电力开关。
技术背景-
交流电几乎用于所有用电领域。交流电力开关是交流供电必不可 少的电器设、备。工业上交流接触器、交流断电器都属于交流电力开关。 交流电力开关在断电过程中动、静触头间会产生强烈的电弧，致使触 头表面烧蚀氧化，这是影响交流电力开关电寿命最主要的原因。这种 现象使开关导电能力降低，触头发热，造成电能浪费，同时还消耗了 大量制造触头的稀有金属材料，严重时还可能酿成火灾等灾难性后 果。本发明针对上述问题，提出一种电流零点附近断电交流电力开关， 实现了交流电力开关无电弧断电或者小电弧断电。
发明内容
交流电流随时间呈正弦函数变化，在电流零点或零点之前一段很 短时间内电流为零或者很小，在这段时间内关断电流，交流电力开关 动、静触头之间出现的电弧很小，甚至没有电弧。这是因为1、关
断时电流很小；2、经历很短时间电流过零点，致使触头附近介质电 离的正负离子重新复合，介质的绝缘特性恢复；3、电流反向后，触 头已经分断一定的距离，不会二次击穿导通。尤其对于电感性负载， 由于电感的磁场能量正比于电流的平方，在接近于电流零点时，电感 的磁场能量几乎为零，不会形成电感强放电电弧。这就是本发明的基本理论依据。
图1是本发明的总体构思图。本发明包括串联在交流电路1中的 由动、静触头组成的主触头组11，控制交流电路1电流的通断。它
还由交流零点检测系统2、控制系统4和伺服系统3构成。交流电路 1和交流零点检测系统2关联，交流零点检测系统2和控制系统4连 接，控制系统4和伺服系统3连接。交流零点检测系统2周期性地取 得交流电路1电流零点位置信息，或者周期性地取得与交流电路1电 流零点相差一个固定相位的特定位置信息，并将这些信息传递给控制 系统4。控制系统4可以是一个微处理器，也可以是一个逻辑电路。 控制系统4的作用是接收交流零点检测系统2发来的信号，并在需要 交流电路1断开时，适时地向伺服系统3发出断电控制信号。伺服系 统3由开关通断机构5和相应的驱动电路6构成。伺服系统3接收到 控制系统4发出的断电控制信号后，通过驱动电路6驱动开关通断机 构5，分断交流电力开关的动、静触头的接触。常用的一种开关通断 机构5是由电磁铁直接驱动动触头的直动机构，电磁铁线圈31通电， 电磁铁吸合，动、静触头闭合，而电磁铁线圈31断电，电磁铁释放， 动、静触头分断。在交流电力开关导通状态下，交流零点检测系统2 将取得的信息传递给控制系统4，需要交流电路l断开时，控制系统 4在时刻
t4= t3+kT/2-At (1)
或者
t4= t3+kT/2-At— 5 (2)对伺服系统3中驱动电路6发出断电控制信号，驱动电路6驱动开关 通断机构5分断动、静触头的接触。上两式中，t3为任意一个交流电 流零点时刻(一般选取最近的交流零点时刻)，T为交流电流的周期， At为从控制系统4发出断电控制信号到动、静触头开始分离之间时 间间隔的平均值。k为整数，假设当前时刻为t2， k的取值应使t4 2t2 (k一般选取满足条件的最小值)。3是动、静触头分断相对于电流零 点提前的微小时间间隔。引入3的目的是避免跨越电流零点后动、静 触头分断间隔过小，引起二次电弧。J的最佳值与动、静触头分离速 度以及电流有效值有关，可由实验确定。这样开关的动、静触头分断 时刻恰好发生在交流电流零点处附近，或者交流电流零点向前偏移^ 时间处附近。
图l是本发明的总体构思图。
图2是本发明在单相交流电力开关应用的具体实施例。 图3是本发明在三相三线制交流电力开关应用的具体实施例。 图4是本发明在对称负载三相三线制交流电力开关应用的具体 实施例。
图5是本发明在三相四线制交流电力开关应用的具体实施例。 在上述各图中，1、交流电路，11、主触头组，12、负载，13交 流电源，2、交流零点检测系统，21、电流感应器，22、电流信号转 换电路，3、伺服系统，5、开关通断机构，6、驱动电路，31、电磁 铁线圈，32、开关管，33、续流二极管，34、电压检测电路，35控制开关，36、直流电源，4、控制系统。
具体实施方式
-
以上叙述了构成电流零点附近断电交流电力开关的一般原则。根 据这个原则，以下分别阐明构成一个单相交流电力开关、三相三线制 电力开关、对称负载三相三线制电力开关和三相四线制交流电力开关 的具体实施例。
图2是本发明在单相交流电力开关应用的具体实施例。控制系统 4采用微处理器。交流零点检测系统2由电流感应器21和电流信号 转换电路22连接构成。电流感应器21由导磁环套装在交流电路1上， 形成初级线圈，在导磁环上绕制若干匝导线形成次级线圈。电流信号 转换电路22由桥式整流器和比较器连接构成。桥式整流器的两个输 入端和电流感应器21次级线圈两个端头连接，正输出端通过电阻连 接到比较器负输入端，正负输出端之间连接一个电阻，起到限制比较 器输入端悬浮的作用。比较器正输入端连接参考电压23的正极，参 考电压的负极和桥式整流器的负输出端连接，比较器的输出端连接到 微处理器的一个I/O端口。电流感应器21输出信号经过桥式整流器 和参考电压通过比较器进行比较，得到负脉冲信号，这个信号的中间 点，与交流电流的零点相差一个固定相位，比较器的输出端通过连接 的I/O端口将信号输送到微处理器。伺服系统3包括开关通断机构5 (图中未画出)、驱动电路6和电压检测电路34。开关通断机构5采 用电磁铁直接驱动动触头的直动机构。驱动电路6由电磁铁线圈31、 开关管32、续流二极管33、直流电源36及控制开关35构成。其中电磁铁线圈31 —端通过控制开关35连接直流电源36的正极，另一 端连接开关管32的集电极。开关管35的发射极和直流电源36的负 极连接，基极通过一个电阻连接到微处理器的一个1/0端口。续流二 极管33正极连接直流电源36的负极，负极通过控制开关35连接直 流电源36的正极。电压检测电路34由两个电阻串联，串联后一端连 接到直流电源36的负极，另一端连接二极管的负极，二极管的正极 通过控制开关35连接到直流电源36的正极，两个电阻串联的中间结 点连接到微处理器的一个I/0端口。直流电源36的负极、桥式整流 器的负输出端和微处理器共地。当控制开关35闭合时，微处理器通 过相应的I/0端口向开关管32基极提供电流，开关管32导通，电磁 铁线圈31通电，电磁铁吸合，交流电力开关主触头组ll闭合，交流 电路1通电工作。工作中电压检测电路34向微处理器始终提供高电 平信号，交流零点检测系统2始终向微处理器提供交流零点的相位信 息。当控制开关35关断时，电压检测电路34电阻串联的中间结点立 即变为低电平并通过相应的I/O端口传递给微处理器。在控制开关 35断开短时间内，电磁铁线圈31、开关管32、和续流二极管33构 成续流回路，电磁铁线圈31仍有电流流过，交流开关主触头组11的 动、静触头仍处于闭合状态。微处理器根据交流零点位置等相关参数 利用上述公式(1)或者(2)来确定发出断电信号的时刻。等待时间 到，微处理器通过相应的1/0端口切断开关管32基极电流，电磁铁 线圈31断电，电磁铁分断，驱动主触头组11的动触头分断。
图3是本发明在三相三线制交流电力开关应用的具体实施例。三个主触头组11分别串联于A、 B、 C三相电路中控制三相电路的通断， 其中有两个主触头组11的动触头联动。因此三相三线制交流电力开 关伺服系统3需要两个开关通断机构5和对应的驱动电路6。其中一 个开关通断机构5由电磁铁驱动非联动的动触头，另一个开关通断机 构5由电磁铁驱动两个联动的动触头。每个驱动电路6结构和连接方 式都与单相交流电力开关驱动电路6相同。电压检测电路34与单相 交流电力开关的电压检测电路34结构和连接方式完全相同。控制系 统4采用微处理器。三相三线制交流电力开关需要两个交流零点检测 系统2，每个交流零点检测系统2与单相交流电力开关的交流零点检 测系统2结构和连接方式相同。其中一个交流零点检测系统2的电流 感应器21导磁环套装在非联动动触头对应的相电路中，另一个交流 零点检测系统2的电流感应器21导磁环套装在两个联动动触头对应 的两相电路其中一相中。两个电路信号转换电路中的比较器的输出端 连接到微处理器对应的1/0端口。当控制开关35关断后，微处理器 如同对单相开关关断过程一样，根据交流零点位置等相关参数利用上 述公式(1)或者(2)来确定发出断电信号的时刻，首先对非联动动 触头进行分断。非联动动触头分断后，等待联动动触头对应的两相电 路出现电流零点，微处理器再利用新零点的位置，重复上述过程，对 联动触头进行分断。第二步关断过程中等待电流零点出现的原因是三 相三线制供电过程中，关断一相电流瞬间，另外任意两相与负载构成 的电路电流零点时间要发生改变。
对于对称负载三相三线制交流电力开关，可以证明，其中一相电路在电流零点断开，另外两相和负载形成的串联电路交流零点发生在
断开的那相交流零点之后T/4处。由此可以简化三相三线制交流电力 开关的结构和电路。
图4是本发明在对称负载三相三线制交流电力开关应用的具体 实施例。对称负载三相三线制交流电力开关实施例和三相三线制交流 电力开关实施例相比，除了去掉联动动触头所在那两相电路对应的交 流零点检测系统2,其余部分的结构和连接方式与三相三线制交流电 力开关完全相同。当控制开关35关断后，微处理器如同对单相开关 关断过程一样，根据交流零点位置等相关参数利用上述公式(1)或 者(2)来确定发出断电信号的时刻，首先对非联动动触头进行分断。
对于联动动触头的分断，微处理器在时刻
ts= t3+kT/2—At' +T/4 (3)
或者
ts二 t3+kT/2-At' - (4) 对伺服系统3中联动动触头对应的驱动电路6发出断电控制信号，相 应的开关通断机构5分断联动动触头。t3和k与非联动动触头分断计 算取值相同，At'为从控制系统4对联动动触头对应的驱动电路6 发出断电控制信号，到联动动触头开始分离之间时间间隔的平均值。 图5是本发明在三相四线制交流电力开关应用的具体实施例。三 个开关主触头组11分别串联于A、 B、 C相电路中控制三相电路的通 断，因此三相四线制交流电力开关伺服系统需要三个开关通断机构5 和对应的驱动电路6。每个开关通断机构5都由一个电磁铁分别驱动一个主触头组11的动触头，每个驱动电路6结构和连接方式都与单 相交流电力开关驱动电路6相同。电压检测电路34与单相交流电力 开关的电压检测电路34结构和连接方式完全相同。三相四线制交流 电力开关需要三个交流零点检测系统2，每个交流零点检测系统2与 单相交流电力开关的交流零点检测系统2结构和连接方式相同。每个 交流零点检测系统2的电流感应器21导磁环分别套装在对应的相电 路中，电流信号转换电路中的比较器的输出端连接到微处理器对应的 1/0端口。当控制开关35关断后，微处理器如同对单相开关关断过 程一样对每个动触头先后进行分断。
交流零点检测系统2除了上述结构以外，它的电流感应器21还 可以采用电流传感器。电流传感器将电流信号传递给过零比较器或者 模数转换器。过零比较器产生的方波边沿的位置或者模数转换器数值 为零的位置都表示了交流电流零点的位置。
对于固定的恒定负载的交流电路，电流和电压相位差总是相差一 个固定值，因此可以通过交流电压零点求得电流零点位置，这样任何 可以测定交流电压零点的电路或者传感器都可以用来测定间接测定 交流电流零点位置。
权利要求
1、一种包括串联在交流电路中的由动、静触头组成的主触头组，控制交流电路电流的通断的电流零点附近断电交流电力开关，其特征在于它还由交流零点检测系统、控制系统和伺服系统构成；交流电路和交流零点检测系统关联，交流零点检测系统和控制系统连接，控制系统和伺服系统连接；交流零点检测系统周期性地取得交流电路电流零点位置信息，或者周期性地取得与交流电路电流零点相差一个固定相位的特定位置信息，并将这些信息传递给控制系统；控制系统可以是一个微处理器，也可以是一个逻辑电路；控制系统接收交流零点检测系统发来的信号，并在需要交流电路断开时，适时地向伺服系统发出断电控制信号；伺服系统由开关通断机构和相应的驱动电路构成；伺服系统接收到控制系统发出的断电控制信号后，通过驱动电路驱动开关通断机构，分断交流电力开关的动、静触头的接触；在交流电力开关导通状态下，交流零点检测系统将取得的信息传递给控制系统，需要交流电路断开时，控制系统在时刻t4＝t3+kT/2-Δt(1)或者t4＝t3+kT/2-Δt-δ(2)对伺服系统中驱动电路发出断电控制信号，驱动电路驱动开关通断机构分断动、静触头的接触；上两式中，t3为任意一个交流电流零点时刻，T为交流电流的周期，Δt为从控制系统发出断电控制信号到动、静触头开始分离之间时间间隔的平均值；k为整数，假设当前时刻为t2，k的取值应使t4≥t2；δ是动、静触头分断相对于电流零点提前的微小时间间隔。
2、根据取利要求1所述的电流零点附近断电交流电力开关，其 特征在于对于单相交流电力开关，控制系统采用微处理器；交流零 点检测系统由电流感应器和电流信号转换电路连接构成；电流感应器 由导磁环套装在交流电路上，形成初级线圈，在导磁环上绕制若干匝 导线形成次级线圈；电流信号转换电路由桥式整流器和比较器连接构 成；桥式整流器的两个输入端和电流感应器次级线圈两个端头连接， 正输出端通过电阻连接到比较器负输入端，正负输出端之间连接一个 电阻；比较器正输入端连接参考电压的正极，参考电压的负极和桥式 整流器的负输出端连接，比较器的输出端连接到微处理器的一个I/O 端口；电流感应器输出信号经过桥式整流器和参考电压通过比较器进行比较，得到负脉冲信号，比较器的输出端通过连接的i/o端口将信号输送到微处理器；伺服系统包括开关通断机构(图中未画出)、驱 动电路和电压检测电路；开关通断机构采用电磁铁直接驱动动触头的 直动机构；驱动电路由电磁铁线圈、开关管、续流二极管、直流电源 及控制开关构成；其中电磁铁线圈一端通过控制开关连接直流电源的 正极，另一端连接开关管的集电极；开关管的发射极和直流电源的负 极连接，基极通过一个电阻连接到微处理器的一个I/0端口；续流二 极管正极连接直流电源的负极，负极通过控制开关连接直流电源的正 极；电压检测电路由两个电阻串联，串联后一端连接到直流电源的负 极，另一端连接二极管的负极，二极管的正极通过控制开关连接到直流电源的正极，两个电阻串联的中间结点连接到微处理器的一个I/O 端口；直流电源的负极、桥式整流器的负输出端和微处理器共地；当 控制开关闭合时，微处理器通过相应的1/0端口向开关管基极提供电 流，开关管导通，电磁铁线圈通电，电磁铁吸合，交流电力开关主触 头组闭合，交流电路通电工作；工作中电压检测电路向微处理器始终 提供高电平信号，交流零点检测系统始终向微处理器提供交流零点的 相位信息；当控制开关关断时，电压检测电路电阻串联的中间结点立 即变为低电平并通过相应的1/0端口传递给微处理器；在控制开关断 开短时间内，电磁铁线圈、开关管、和续流二极管构成续流回路，电 磁铁线圈仍有电流流过，交流开关主触头组的动、静触头仍处于闭合 状态；微处理器根据交流零点位置等相关参数利用上述公式(1)或 者(2)来确定发出断电信号的时刻；等待时间到，微处理器通过相 应的I/0端口切断开关管基极电流，电磁铁线圈断电，电磁铁分断， 驱动主触头组分断。
3、根据取利要求1所述的电流零点附近断电交流电力开关，其 特征在于对于三相三线制交流电力开关，三个主触头组分别串联于 A、 B、 C三相电路中控制三相电路的通断，其中有两个主触头组的动 触头联动；三相三线制交流电力开关伺服系统需要两个开关通断机构 和对应的驱动电路；其中一个开关通断机构由电磁铁驱动非联动的动 触头，另一个开关通断机构由电磁铁驱动两个联动的动触头；每个驱 动电路结构和连接方式都与单相交流电力开关驱动电路相同；电压检 测电路与单相交流电力开关的电压检测电路结构和连接方式完全相同；控制系统釆用微处理器；三相三线制交流电力开关需要两个交流 零点检测系统，每个交流零点检测系统与单相交流电力开关的交流零 点检测系统结构和连接方式相同；其中一个交流零点检测系统的电流 感应器导磁环套装在非联动动触头对应的相电路中，另一个交流零点 检测系统的电流感应器导磁环套装在两个联动动触头对应的两相电 路其中一相中；两个电路信号转换电路中的比较器的输出端连接到微 处理器对应的I/0端口；当控制开关关断后，微处理器如同对单相开 关关断过程一样，根据交流零点位置等相关参数利用上述公式(1) 或者(2)来确定发出断电信号的时刻，首先对非联动动触头进行分 断；非联动动触头分断后，等待联动动触头对应的两相电路出现电流 零点，微处理器再利用新零点的位置，重复上述过程，对联动触头进 行分断。
4、根据取利要求l所述的电流零点附近断电交流电力开关，其 特征在于对于对称负载三相三线制交流电力开关，和三相三线制交 流电力开关相比，除了去掉联动动触头所在那两相电路对应的交流零 点检测系统，其余部分的结构和连接方式与三相三线制交流电力开关 完全相同；当控制开关关断后，微处理器如同对单相开关关断过程一 样，根据交流零点位置等相关参数利用上述公式(1)或者(2)来确 定发出断电信号的时刻，首先对非联动动触头进行分断；对于联动动 触头的分断，微处理器在时刻ts= t3+kT/2-At' +T/4 (3)或者ts= t3+kT/2-At' - (4) 对伺服系统中联动动触头对应的驱动电路发出断电控制信号，相应的 开关通断机构分断联动动触头；t3和k与非联动动触头分断计算取值 相同，At'为从控制系统对联动动触头对应的驱动电路发出断电控 制信号，到联动动触头开始分离之间时间间隔的平均值。
5、 根据取利要求1所述的电流零点附近断电交流电力开关，其 特征在于对于三相四线制交流电力开关，三个开关主触头组分别串 联于A、 B、 C相电路中控制三相电路的通断，三相四线制交流电力开 关伺服系统需要三个开关通断机构和对应的驱动电路；每个开关通断 机构都由一个电磁铁分别驱动一个主触头组的动触头，每个驱动电路 结构和连接方式都与单相交流电力开关驱动电路相同；电压检测电路 与单相交流电力开关的电压检测电路结构和连接方式完全相同；三相 四线制交流电力开关需要三个交流零点检测系统，每个交流零点检测 系统与单相交流电力开关的交流零点检测系统结构和连接方式相同； 每个交流零点检测系统的电流感应器导磁环分别套装在对应的相电 路中，电流信号转换电路中的比较器的输出端连接到微处理器对应的 1/0端口；当控制开关关断后，微处理器如同对单相开关关断过程一 样对每个动触头先后进行分断。
6、 根据取利要求1所述的电流零点附近断电交流电力开关，其 特征在于交流零点检测系统的电流感应器还可以采用电流传感器； 电流传感器将电流信号传递给过零比较器或者模数转换器；过零比较 器产生的方波边沿的位置或者模数转换器数值为零的位置都表示了交流电流零点的位置。
7、根据取利要求l所述的电流零点附近断电交流电力开关，其 特征在于对于固定的恒定负载的交流电路，交流零点检测系统的电 流感应器采用任何可以测定交流电压零点的电路或者传感器；间接测 定交流电流零点位置。
全文摘要
本发明提出一种电流零点附近断电交流电力开关。交流电流在电流零点或零点之前一段很短时间内电流为零或者很小，在这段时间内关断电流，开关电弧很小，甚至没有电弧。本发明由交流零点检测系统、控制系统和开关伺服系统构成。交流零点检测系统检测电流零点位置信息，关断交流电路时，控制系统适时地发出断电控制信号，开关分断时刻恰好发生在交流电流零点处附近，或者交流电流零点向前偏移δ时间处附近。实现了交流电力开关无电弧或者小电弧分断。
文档编号H01H9/54GK101295593SQ200810128818
公开日2008年10月29日 申请日期2008年6月15日 优先权日2008年6月15日
发明者王振民 申请人:王振民